Роберт Бойль (1627–1691)
В процессе эволюции химической науки второй половины XVII в. выдающуюся роль сыграл ирландский химик Роберт Бойль. Как отмечает М. Джуа, «в истории науки редко встречаются такие мыслители, как Роберт Бойль, в котором выдающиеся способности к аналитическому мышлению сочетались с даром наблюдательности и искусством экспериментатора»{161}.
Как считают многие биографы Роберта Бойля, его воззрения на проведение научных исследований сформировались под воздействием взглядов английского философа Френсиса Бэкона (см. гл. 5, п. 5.4), поэтому наблюдение у Бойля скорее относится к эмпирическому методу познания, в то время как эксперимент он считал проявлением рационального подхода. Тем не менее нельзя отрицать, что при изучении газов Бойль пользовался методологией, предложенной Галилео Галилеем. В силу объективных причин, обусловленных уровнем развития химии того времени, Бойль не был настолько подготовленным, особенно математически, чтобы использовать в полной мере галилеевский метод в химии. Если бы ему это удалось, исследования ирландского ученого, возможно, смогли бы предвосхитить труды А.Л. Лавуазье (см. гл. 6, п. 6.5) и Джона Дальтона (см. гл. 8, п. 8.3). Однако научная доктрина Р. Бойля во многом еще не выходит за рамки абстракции, в ней можно увидеть идейное влияние основателей Королевского научного общества, в особенности Дж. Глэнвиля, мировоззренческий анимизм[16] которого хорошо заметен в его труде «Научный скептицизм» (1665).
В научной деятельности Роберта Бойля обычно выделяют три составные части:
а) физические исследования;
б) химические исследования;
в) разработка основ корпускулярной теории.
Первый аппарат для перегонки в вакууме, сконструированный Р. Бойлем
Эксперименты с газообразными веществами, успешно осуществленные представителями физической науки, увлекли Бойля. Освоив методику откачивания воздуха из сосуда, он сумел осуществить обратный эксперимент — сжатие воздуха. В результате проведенных количественных экспериментов он установил обратную зависимость объема воздуха от величины внешнего давления — pV = const. Первое сообщение об этом законе было опубликовано в 1662 г. Роберт Бойль не оговаривал особо, что его закон справедлив только при постоянной температуре. Французский физик Эдм Mapuomm независимо от Бойля открыл этот закон в 1676 г. Он особо подчеркивал, что изученная зависимость объема газа от давления наблюдается только при постоянной температуре. Закон Бойля-Мариотта явился первой попыткой применить точное измерение при выяснении причин изменения веществ.
Роберт Бойль имел совершенно особый взгляд на цели и задачи химических исследований. Он считал химию наукой, способной добиться истинной самостоятельности. «Химики до сих пор руководствовались чересчур узкими принципами, не требовавшими особенно широкого умственного кругозора; они усматривали свою задачу в приготовлении лекарств, в извлечении и превращении металлов. Я смотрю на химию с совершенно другой точки зрения; я смотрю на нее не как врач, не как алхимик, а как должен смотреть на нее философ» — утверждал P. Бойль{162}.
Большое значение для дальнейшего развития химии имели начатые Р. Бойлем исследования фосфора. Занимаясь получением фосфора, он пришел к открытию ортофосфорной кислоты и фосфина PH3. Кроме количественного изучения различных химических процессов, Бойль систематически использовал некоторые реакции для распознавания веществ. Подобно многим химикам XVII в. ирландский ученый в своих химических исследованиях применял анализ веществ с помощью огня (analysis by fire). Изучая явления термического разложения веществ,
Бойль усомнился в том, «что тело разлагается огнем на свои ингредиенты, предполагаемые простыми…». Он находил все больше подтверждений тому, что образующиеся при прокаливании веществ «субстанции на самом деле не являются подлинными и настоящими элементами, а произведены акцидентально огнем, который, рассыпая тело на мельчайшие части (особенно если они находятся в замкнутых сосудах), вынуждает их соединяться друг с другом, но уже иначе, чем раньше…». Огонь как инструмент анализа «в большинстве случаев не разлагает тело на гипостатические начала, но лишь образует из этих частей новые структуры»{163}. Анализируя результаты проведенных экспериментов, Р. Бойль высказал догадку, что в процессах прокаливания принимает активное участие какая-то составная часть воздуха.
Фронтиспис книги Р. Бойля «Новые опыты» с изображением воздушного насоса
Понимая, что в результате термической деструкции могут образовываться продукты вторичных процессов, ирландский ученый занимался поиском других методов анализа: например, экстракционных или индикаторных. В хронологии важнейших событий и открытий в химии 1654 год отмечен введением Робертом Бойлем термина «химический анализ»{164}. По всей видимости, исследования, которыми P Бойль занимался в своем замке в Стэлбридже с 1645 г., и заложили основы современной аналитической химии. В этот период своей деятельности он увлеченно изучал реакции кислот и щелочей с индикаторами, процессы разложения, осаждения и идентификации веществ. В апреле 1652 г. Бойль вынужден был покинуть имение Стэлбридж и направиться в родовой замок графов Корк в Ирландию. Незадолго до этого в семье P Бойля произошла трагедия: его отец граф Ричард Корк погиб в сражении с армией Кромвеля. В апреле 1654 г. ирландский ученый написал из Корка Фредерику Клодию письмо, в котором содержались такие слова: «Поскольку я не имею колб и печей, чтобы выполнять химические анализы неживых объектов, я упражняюсь в анатомировании животных»{165}.
Весь последующий ход эволюции химических знаний показал, что введение P. Бойлем нового термина «химический анализ» оказалось необходимым и своевременным. Этот термин явился своего рода лозунгом, вокруг которого многие ученые координировали свои исследования, направленные на изучение «составных частей сложных тел», что, в конечном итоге, привело к становлению новой научной дисциплины — аналитической химии.
Существенный вклад в развитие химического анализа внесло первое систематическое описание индикаторов, данное P. Бойлем в книге «Опыты и рассуждения о цветах» (1664), хотя отрывочные сведения об этом можно встретить в более ранних работах. Первым индикатором, который P. Бойль использовал в своих опытах, был настой сандалового дерева Lignum nephriticum. Значительно позже было обнаружено, что первый индикатор Бойля был флуоресцентным{166}. В качестве кислотно-основных индикаторов Бойль применил доступные экстракты пигментов растительного происхождения — лепестков фиалок, васильков, роз, цветов деревьев, а также некоторых ягод. Уместно напомнить, что некоторые их этих экстрактов применяли еще древние греки (см. гл. 2, п. 2.4). Кроме того, он первым применил неорганический индикатор, содержащий ион [Cu(NH3)4]+, который имел синее окрашивание в щелочной среде и был бесцветным в кислой. В своей книге Бойль описал heliotropium tricoccum, который впоследствии получил название лакмуса и стал одним из распространенных кислотно-основных индикаторов.
Роберт Бойль существенно усовершенствовал лабораторное оборудование, ввел в лабораторную практику градуированные приборы для измерения объемов газов и жидкостей, а также весы (хотя и невысокой точности — от 1 до 0,5 грана, т.е. 60–30 мг)) и усовершенствовал способ взвешивания. Р. Бойль начал разрабатывать сероводородный метод качественного анализа химических элементов.
В 1661 г. Бойль опубликовал свою книгу «Химик-скептик» («The Sceptical Chymists») сначала анонимно, а позднее и под своей фамилией. Не удивительно, что в названии своей книги автор сознательно опустил первый слог в слове «алхимия». Этим поступком ирландский ученый подчеркнул, что подлинное развитие химической науки возможно лишь в том случае, если традиционные алхимические доктрины окажутся окончательно отвергнутыми. По мнению целого ряда историков, в том, что в дальнейшем эта отрасль естествознания стала называться химией, а специалисты, работающие в этой области, — химиками, далеко не последнюю роль сыграли авторитет Роберта Бойля и его научные заслуги.
Как свидетельствуют биографы, мировоззрение ирландского ученого формировалось под влиянием трудов П. Гассенди (см. гл. 5, п. 5.4) и его английского последователя У. Чарлтона. В книгах П. Гассенди и У. Чарлтона подробно обсуждалось учение Эпикура. Мысль о союзе химиков и сторонников корпускулярного учения проходила лейтмотивом через все натурфилософские сочинения P. Бойля. Именно здесь, в точке пересечения атомистической и химической традиций рождалась новая наука{167}.
В последующих книгах P. Бойль изложил содержание своей корпускулярной теории, которая представляла по своей сути атомистическое учение и стремилась опереться на химические факты, хотя некоторые идеи, в частности, об универсальности материи, общей для всех тел и непроницаемой, ему пришлось заимствовать у античных философов. По Бойлю, все тела образованы этой универсальной материей, которая обладает тремя основными свойствами — формой, величиной и движением. Среди свойств или акциденций материи самую важную роль Бойль отводил движению. Как акциденции, так и корпускулы у Бойля подвержены определенной иерархии: они могут быть первого и второго порядка. Первичные корпускулы (minima или prima naturalia) и есть по своей сути непосредственные начала тел различных видов{168}. При объединении корпускул первого порядка образуются конгломераты или сложные составные тела (primitive cluster или prima mixta), из которых могут образовываться различные смеси веществ. Эти вторичные образования играли в учении Р. Бойля важнейшую роль. В качестве структурных единиц макротел ирландский химик рассматривал именно конгломераты первичных корпускул, характеристики которых — величина, форма, структура и движение определяли качественную индивидуальность каждого тела{169}. Каждому конкретному виду корпускулярного движения у Бойля соответствовал определенный набор других характеристик частиц, что в итоге и определяло совокупность свойств макротела.
По мнению Бойля, изменение свойств вещества при протекании химических превращений представляло собой модификацию типа движения, а следовательно, и других характеристик конгломератов в результате их внутренней перестройки или дополнительного объединения с другими корпускулами и распада этих объединений. Такая точка зрения позволила ирландскому ученому объяснить возможность осуществления трансмутации, но не алхимической (оперирующей с абстрактными элементами-принципами), а осуществляемой путем механического изменения внутренней «структуры» тела, вследствие которого исчезают одни свойства и возникают другие{170}.
В теории Р. Бойля движущей силой объединения корпускул выступает особого рода сродство их друг к другу. Ученый пришел к выводу, что корпускулы и их конгломераты, из которых образованы тела, остаются неизменными при различных превращениях этих тел. Например, растворив в азотной кислоте серебро, ртуть или медь, можно снова получить из растворов исходные металлы. Однако он не считал это требование абсолютным, поскольку не настаивал с полной определенностью, что конгломераты корпускул обязательно входят в состав макротел, не теряя собственной природы.
Свою корпускулярную концепцию Р. Бойль использовал для объяснения различного агрегатного состояния вещества. Согласно его представлениям, газообразное состояние, характерное главным образом для воздуха, обусловлено присутствием частиц самой разнообразной формы, что и определяет упругие свойства газов; корпускулы жидкостей соприкасаются только в немногих местах своих поверхностей и поэтому обладают некоторой свободой движения, в твердых же телах частицы соединены между собой настолько прочно, что не могут перемещаться — твердое состояние возможно благодаря плотности корпускул, нахождения их в состоянии покоя и сближенности.
При желании в понятиях частиц материи minima или prima naturalia Р. Бойля можно увидеть и элементарные частицы — протоны, нейтроны и электроны, которые образуют атомы, подобно тому, как, по его мнению, они образовывали кластеры. Разумеется, что Бойль не мог знать об электромагнитной природе взаимодействия частиц, более того, он писал свои труды до того, как был сформулирован Ньютоном закон всемирного тяготения (1687), однако он рассматривал взаимодействия частиц с позиций гравитационного взаимодействия. Корпускулярная теория Р. Бойля демонстрирует попытку связать механико-материалистическое понимание природы с атомистическими представлениями о строении материи. Существует мнение, что в Новое время познавательная деятельность человека отождествлялась с конструирующей{171}. В этих условиях природа уподоблялась гигантскому часовому механизму, поэтому у Р. Бойля представления о строении вещества позволяют распространить методы изучения макрообъекгов на микромир. По мнению ирландского ученого, химик прежде всего является микромехаником{172}.
Попытка Р. Бойля объяснить природу макроскопических свойств веществ и их изменения в химических превращениях с позиций корпускулярной концепции имела для химии чрезвычайно важное методологическое значение. Такое объяснение впервые наполнило понятие качества или свойства макротела реальным физическим содержанием, представив его не «как нечто, имеющее неизвестное происхождение и изначально присутствующее в теле, а как результат определенного внутреннего устройства вещества{173}.
Исследования Р. Бойля способствовали сближению химии и физики. Наметившийся союз двух отраслей естествознания существенным образом изменял представления о химии как о разделе медицины и в перспективе способствовал ее становлению как самостоятельной науки (см. Приложение).
Основные принципы корпускулярной теории Р. Бойля для того времени были, безусловно, прогрессивными, однако одной лишь их констатации оказалась недостаточно для построения подлинно научной теории. Концепция Бойля носила во многом абстрактный характер и не могла наметить экспериментальных путей для определения характеристик первичных корпускул и их конгломератов. В силу объективных причин, Бойль не смог использовать в своей теории стержневое количественное понятие атомной массы. Именно отсутствие количественных принципов определения атомных масс элементов не позволило корпускулярным воззрениям Р. Бойля превратиться в целостное научное учение экспериментальной химии.
Исследование Р. Бойлем процесса окисления показывает, как сложно было в то время объяснять полученные экспериментальные факты, исходя из имеющихся теоретических представлений. По его предположению, увеличение массы металлов при прокаливании происходит за счет того, что в металл проникают «огненные» частицы. Бойль искал объяснение этому явлению с атомистических позиций, но не смог установить связь между потреблением воздуха и явлением увеличения массы металла при его окислении.
К объяснению сути химических процессов Р. Бойль попробовал подойти, пытаясь переосмыслить понятия об элементе. Исходя из анализа накопленных экспериментальных данных, ирландский химик ставил задачу опровергнуть представления о неделимости известных элементов Аристотеля и трех начал арабской алхимии и Парацельса.
Свои взгляды на природу элементов он изложил в книге «Химик-скептик», которая была написана в форме беседы четырех вымышленных ученых. Корнеад, названный по имени древнегреческого ученого и оратора, отстаивал корпускулярную теорию автора книги; Фемист выступал как последователь учения Аристотеля, а Филопон разделял взгляды Парацельса. И, наконец, Элевтерий (греч. «вольный», «независимый») играл роль беспристрастного судьи.
Подавляющее большинство историков химии, от Г.М. Коппа до Дж. Р. Партингтона и Б.М. Кедрова, единодушны в стремлении представить Роберта Бойля автором первого научно обоснованного определения химического элемента как предела разложения вещества. Представители этого направления в истории химии утверждают, что своим отрицанием значения аристотелевских и алхимических элементов, слишком немногочисленных и недостаточных для объяснения всех известных фактов, P.
Бойль показал, что элементы представляют собой неразлагаемые далее составные части тел, которые можно определить практическим путем. После того как это определение было положено в основу объяснения всех химических процессов, оказалось возможным определить «предмет химии как науки, изучающей в первую очередь химические элементы и их соединения»{174}.
Титульный лист первого издания книги Р. Бойля «Химик-скептик» (Лондон, 1661)
Чтобы представить дух того времени, достаточно одного примера: P. Бойль, пытаясь доказать, что тыква не состоит из земли и воды, показал, что земля, на которой росла тыква, не изменилась{175}. C точки зрения Бойля, первостихии в понимании Аристотеля (огонь, вода, земля и воздух) никак не могут быть элементами, а представляют собой сложные составные тела. Многие специалисты уверены, что Роберту Бойлю удалось дать хотя и неполное, но достаточно рациональное определение элемента, которое легло в основу химии того времени.
Иной точки зрения придерживаются Т. Кун, Л. Ланжевен, В.П. Зубов{176}, Ю.И. Соловьев{177} и ряд других исследователей. Существует мнение, что определение химического элемента, аналогичное представленному в «Химике-скептике», впервые вывел французский медик и химик Э. де Клав в 1641 г. Французский ученый писал: «Элементы — суть простые тела, из которых изначально состоят все сложные тела и на которые эти последние в конечном счете разлагаются или могут быть разложены{178}.
Томас Кун считает, что «вербальные определения, подобные определению Бойля, обладают малым научным содержанием, когда рассматриваются сами по себе. Они не являются полными логическими определениями (specifications) значения, но преследуют в большей степени педагогические цели. Научные понятия, на которые указывают определения, получают полное значение только тогда, когда они соотнесены в учебниках или в другой систематической форме с другими научными понятиями, с процедурами исследования. Из этого следует, что понятия, подобные понятию элемента, едва ли могут мыслиться независимо от контекста»{179}. Контекстом в данном случае являются новые экспериментальные методы химического анализа, которые развивал Бойль и его современники. Согласно мнению этой группы ученых, Р. Бойль вложил в уста Корнеада определение химического элемента только для того, чтобы доказать, что химические элементы вообще не существуют.
Разобраться в истинности двух противоположных точек зрения довольно сложно. Из анализа основных положений корпускулярной теории очевидно, что теоретические концепции ирландского химика исключали какую-либо возможность существования в природе химических элементов. Детальный анализ многих высказываний Бойля показывает, что он не удовлетворился отрицанием элементов Аристотеля или Парацельса, а поставил вопрос гораздо шире и глубже: «надо ли, вообще, для описания химических явлений вводить представление об элементах?»{180}. Бойль-теоретик, последователь кинематического корпуляризма, склонялся к мнению, что конгломераты (prima mixta), определяющие свойства тел, лабильны и разложимы. Следовательно, суть химических процессов можно объяснить без привлечения понятия об элементах.
Как правило, историки науки, изучающие наследие Р. Бойля, не обращают внимания на глубокие противоречия между выводами, логически вытекающими из его корпускулярной теории, и результатами, которые он получал при проведении экспериментальных исследований. Бойль-теоретик был решительным противником идеи об элементах, тогда как Бойль-экспериментатор был вынужден признавать существование неразложимых «субстанциальных форм», которые к тому же не поддавались искусственному синтезу{181}. Представления о существовании некоторых простейших образований, об относительно неизменных компонентах сложных тел в XVII столетии уже составляли необходимый минимум химического мышления. Без этих представлений было уже невозможно обойтись при объяснении химических процессов.
Особый интерес вызывает еще одна точка зрения, возникающая при анализе творческого наследия ирландского ученого, согласно которой, понятие о химическом элементе у Р. Бойля в полной мере не соответствует ни одной из приведенных ранее трактовок. Представления Бойля о химическом элементе вообще не умещаются в одностороннюю схему анализа. Они требуют учета скрытых за этим понятием реальных противоречий в эволюции теоретических представлений в химии{182}.
Жизнь Роберта Бойля была целиком посвящена науке. Он был человеком редкой скромности и доброты, в силу чего избегал личных столкновений и даже уклонялся от научной полемики. Материальная обеспеченность и положение сына аристократа позволили ему получить образование в привилегированной школе Итон вблизи Лондона, затем учиться в Женеве, путешествовать по странам Европы, слушая лекции и знакомясь с учеными. Бойль представлял собой новый тип ученого, который работал в научном сообществе. В Оксфорде он был активным участником научного коллектива, который получил название «Невидимого колледжа» (Invisible College).
Помимо химических экспериментальных и теоретических исследований Р. Бойль принимал непосредственное участие в организации крупных научных сообществ. Расцвет деятельности Бойля совпал с образованием Лондонского королевского общества и Парижской королевской академии наук. Лондонское королевское общество было создано в 1660 г. и утверждено хартией короля Карла II в 1662 г. Бойль, как и большинство участников «Невидимого колледжа», переехал в Лондон, где они стали ядром этой организации. В 1680 г. Бойля избрали Президентом Лондонского королевского общества, однако он от этой почетной должности отказался{183}.
Роберт Бойль прекрасно понимал громадное значение химических знаний для изучения явлений природы и развития ремесел. Наиболее плодотворной для развития химии оказалась его мысль о том, что химические исследования должны быть направлены главным образом на изучение реакций и веществ, которые принимают в них участие. Химия обязана Р. Бойлю не только изучением многочисленных качественных реакций, разработкой аналитических методик, но прежде всего — глубокой постановкой вопроса о характере аналитических процедур, в котором явно различимы исторические корни современной концепции приборного эксперимента{184}.
Если для многих естествоиспытателей XVII столетия химия была лишь искусством, помогающим аптекарям готовить лекарства, а алхимикам — искать философский камень, то для Роберта Бойля она представляла самостоятельную науку со своими собственными задачами и методами. Многие ученые по праву считают Роберта Бойля основателем современных физической и аналитической химии.
В XVII в. накал борьбы между различными теоретическими направлениями за установление «истинной химической философии» был достаточно высок. Без учета противостояния этих учений нельзя дать истинную оценку значения корпускулярной теории Роберта Бойля. В XVII в., кроме Р. Бойля, было много других ученых, поддерживающих атомистические представления. Однако никто из них не смог так близко подойти к современной трактовке некоторых фундаментальных понятий химии и остановиться буквально в нескольких шагах от формулировки подлинно научного атомно-молекулярного учения. Заслуги ирландского ученого перед естествознанием Ф. Энгельс охарактеризовал краткой и емкой формулой: «Бойль делает из химии науку»{185}.