Теория флогистона как научное предостережение

в 17:54, , рубрики: история науки, лженаука, тёмная материя, флогистон, химия

Довольно отважный и безрассудный опыт свидетельствует, что, если опубликовать на Хабре статью «Проявление свойств эфира: доказано экспериментами», то вместе с жаркой дискуссией в 346 комментариев и весомыми 27 000 просмотров такая статья получит оценку -23. Не претендуя на лавры её авторов, я всё-таки возьмусь рассказать под катом об истории и пользе безусловно лженаучной теории флогистона, которая на Хабре пока практически не затрагивалась. Дело в том, что даже самые дикие теории борются за существование, а их сторонники отчаянно пытаются обвешать теорию научными фактами, междисциплинарными связями и оригинальными экспериментами. Теория флогистона, при помощи которой до открытия кислорода пытались объяснять механизмы горения, кажется мне настолько интересной с исторической точки зрения и при этом предостерегающей нас от неверных выводов, что я рискну обрисовать её научный контекст и некоторые печальные выводы, на которые она может нас натолкнуть.

Изучение флогистона — удивительный феномен, ярко демонстрирующий переход от алхимии к химии. Эта теория существовала примерно с 1667 года, когда Иоганн Бехер ввёл термин «флогистон» до 1780-х, когда в период с 1783 по 1787 год Антуан Лавуазье получил водород и кислород, а впоследствии верно объяснил химию горения. Джозеф Пристли, открывший кислород в 1774 году, ещё воспринимал флогистон всерьёз, охарактеризовав полученный газ как «дефлогистированный воздух». Систематическое описание свойств флогистона дал в 1703 году Георг Эрнст Шталь, который и оформил «теорию флогистона».

Как я однажды упоминал в статье «Тяжёлое золото Сиборга и отголоски алхимических реакций», европейская алхимия на последних этапах развития превратилась в высокобюджетную экспериментальную «почти науку» и даже дала отдельные практические результаты. Например, когда Иоганну Бёттгеру в 1709 году удалось получить фарфор. В целом же алхимия оставалась хаотическим экспериментальным ремеслом, расшатывавшим представления о природе материи, сложившиеся ещё в античности. Так, в 1669 году Хенниг Брандт сумел получить белый фосфор в результате перегонки больших объёмов мочи. Светящийся осадок выглядел настолько необычно, что Брандт даже принял его за подлинный философский камень, но это открытие впервые заставило усомниться, что в мире существует всего шесть «первоэлементов» — античные «огонь», «вода», «земля», «воздух», а также добавленные к ним алхимиками «философская ртуть» и «философская сера». Осадок, полученный Брандтом, со всей очевидностью не являлся ни одним из этих элементов, а как мы теперь знаем – стал первым неметаллом, искусственно выделенным в лаборатории и не встречающимся в самородном виде. Таким образом, чтобы понять теорию флогистона, нужно исходить из того, что в XVII веке и огонь, и воздух считались элементарными субстанциями, прообразами химических элементов.         

Чтобы понять теорию флогистона, нужно углубиться в историю развития представлений о материальном мире со времён Древней Греции. Родоначальником теории о «четырёх элементах», из которых состоит всё сущее, был Эмпедокл из сицилийского города Акраганта. Отличная статья о нём «Серьёзный колдун: как древнегреческий мыслитель  Эмпедокл философствовал любовью и враждой» вышла в журнале «Нож», и из неё я бы отметил, что Эмпедокл выделял наряду с четырьмя «материальными» элементами два «движущих» - «любовь» и «вражду». У человека с древним мифологическим мировоззрением смешение столь непохожих сущностей, по-видимому, не вызывало когнитивного диссонанса. Приведу здесь аналогию с атомистической теорией. Когда Левкипп и Демокрит говорили об атомах как о неделимых произвольно смешивающихся в разных сочетаниях частицах, они стояли на натурфилософских позициях и, вероятно, не исключали, что атомы никогда получены не будут. На протяжении двух с лишних тысячелетий атомы оставались в статусе такой философской концепции, в которую, например, верил Ломоносов и не верил Лавуазье. Тем не менее, когда в 1803 году Джон Дальтон открыл атомы, он, очевидно, пришёл к этому открытию именно в результате осмысления философских концепций. В XVI-XVIII веке такая ситуация, по-видимому, была обычна для формировавшихся из натурфилософии естественных наук. Вообще пример с атомами я считаю образцовым примером «материализации идей», философской концепции, которую развивает в своих заметках мой уважаемый читатель Виктор Георгиевич Сиротин @visirok .

Теорию Эмпедокла начали переосмысливать арабы в конце I тысячелетия нашей эры, когда именно их усилиями начала развиваться алхимия (в словах «алхимия», «алкоголь», «эликсир» и «амальгама» читатель легко узнает арабские компоненты). Живший в IX веке Абу-Муса ибн Хайян добавил к четырём материальным элементам Эмпедокла Ртуть и Серу, которые, однако, понимал не столько как «элементы», сколько как «начала». Алхимики предполагали, что эти вещества соединяются с металлами, меняя их свойства. Именно в ходе таких опытов были получены амальгамы – сплавы ртути с металлами. Много позже швейцарский учёный Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, более известный под латинизированным псевдонимом Парацельс (1493 – 1546), добавил к Сере и Ртути Хайяна ещё и Философскую Соль, охарактеризовав три этих элемента как Три Начала (tria primia). В XVII веке, когда алхимия плавно превращалась в современную химию, «воздух» и «огонь» элементами уже не считались. В финальную пятёрку «элементов» входили Земля, Вода, Сера, Ртуть и Соль, а последним великим физиком, который всерьёз занимался алхимией как наукой, был Роберт Бойль (1627 — 1691). Бойль был старшим современником Исаака Ньютона (1642 — 1727), на которого сильно повлиял; по-видимому, и Ньютон тоже пытался найти в алхимии рациональное зерно. Бойль же в 1661 году выпустил базовую для своего времени книгу «Скептический химик», в которой окончательно развенчал как четырёхэлементную теорию Эмпедокла, так и трёхэлементную теорию Парацельса, тем самым открыв путь к развитию современной химии. Именно в таких условиях зародилась теория флогистона.      

Теория флогистона от Бехера и Шталя до Лавуазье

Георг Эрнст Шталь (1659 — 1734) родился в Ансбахе на западе современной Баварии.  Он изучал медицину в Йенском университете с 1679 по 1684 год, затем с 1687 года служил лейб-медиком у герцога Саксон-Веймарского, а в период разработки теории флогистона (1703) руководил кафедрой медицины в незадолго до того основанном университете города Галле. Как и многие его современники, Шталь считал химию одной из дисциплин в составе медицины, но алхимией всерьёз не занимался. В частности, Шталь размышлял о природе «души» (anima) как некого лёгкого флюида, наполнявшего тело, но при этом нечленимого, поскольку со смертью тела духовная энергия не фиксируется ни в какой его части. Вероятно, именно эти размышления простимулировали его познакомиться с выкладками Иоганна Иоахима Бехера (1635 — 1682), с 1657 по 1678 год занимавшего пост профессора медицины в университете Майнца. 

Бехер полагал, что все металлы и минералы — это сложные вещества, которые при сгорании выделяют в воздух «горючую» или «жирную» землю (terra pinguis). Остающиеся в результате зола, пепел или шлак – это подлинная основа металла, «calx». Она состоит из «каменной земли» (terra lapida), придающей огарку форму и плотность, и «ртутной земли» (terra mercurialis), которая, в свою очередь, придаёт веществу вес и цвет.

Шталь попытался развить эту систему, так как увидел в ней способ подвести общую базу под горение, ржавление и дыхание. При всей примитивности это была научная теория, на основе которой можно было делать прогнозы и экспериментально их проверять. В данном случае мы понимаем под «ржавлением» процесс, который впоследствии назовут «окислением», точнее — окисление металлов на воздухе. Шталь предположил, что при горении, ржавлении и дыхании с разной интенсивностью происходит один и тот же процесс: вещество теряет флогистон (в переводе с греческого — «горючий»). Флогистон, как правило (в зависимости от концентрации) легче воздуха, поэтому дым устремляется вверх, но в дальнейшем вступает в соединение с воздухом (растворяется в нём). Дым содержит флогистон и крупицы несгоревшего вещества. Выброс флогистона может сопровождаться разнообразными звуками, среди которых наиболее известен треск дров. Растения высасывают из воздуха «флогистированные» вещества, которые служат им питанием, и именно с растительной пищей в организм травоядных поступает большое количество флогистона, который затем душа использует для дыхания (в русском языке слова «душа» и «дышать» также этимологически связаны). Соответственно, растения питаются землёй, и в процессе жизнедеятельности «рефлогистируют» её.   

Неорганическое вещество, максимально насыщенное флогистоном, по мнению Шталя — это древесный уголь. Каменный уголь также богат флогистоном, поэтому должен иметь растительное происхождение. Флогистон содержится не только в растениях, но и в металлах, поэтому большинство металлов, испуская флогистон в атмосферу, постепенно покрываются характерной коркой, в случае с железом это ржавчина, в случае с медью — патина, у марганца такая корка белая, у сурьмы – чёрная. Золото, по-видимому, является чистым солнечным светом и совершенно не содержит флогистона (образование золота можно описать так: давным-давно свет оказался заперт в глубине горных пород, куда попал, когда эти породы ещё были открыты солнцу и обильно освещались). Именно поэтому золото не ржавеет и обладает нехарактерным для металлов цветом – от жёлтого до красноватого (спойлер: вот почему золото жёлтое).   

Согласно теории флогистона, выплавка металлов – это процесс отвода флогистона в шлак и частично в воздух, и чем чище металл (например, железо), тем меньше в нём флогистона. Тем не менее, кузнецы знали, что в результате выплавки металл становится тяжелее, а не легче (кстати, на Хабре есть интересная статья «Европейская металлургия от костра до мартена» о ранней истории развития металлургии, написанная уважаемым @26091981 для корпоративного блога Macloud). Соответственно, заключил Шталь, флогистон имеет отрицательную массу. Именно поэтому дым устремляется вверх, а металл, потеряв часть флогистона, «приобретает» дополнительную массу. По-видимому, именно тогда, в начале XVIII века, и возникла идея об отрицательной массе как источнике антигравитации, и сегодня не дающая покоя физикам.

В XVIII веке теория флогистона была в Европе общепризнанной. Именно в рамках её уточнения была заложена основа химии газов, которую в Англии разрабатывала целая научная школа, члены которой называли свои изыскания «пневматической химией». Пытаясь получить флогистон, Джозеф Блэк, профессор медицины из Эдинбургского университета, в 1754 году открыл углекислый газ, который выделил из известняка и назвал «связанным воздухом». Затем его ученик и аспирант Даниель Резерфорд в 1772 году получил азот, который назвал «мефитическим воздухом». Как углекислый газ, так и азот каждый по-своему походили на флогистон, поскольку не поддерживают горения и играют ключевые роли в биохимии растений, однако эти газы определённо не удавалось представить вариантами одного элемента. В то же время параллельно шли к открытию кислорода швед Карл Шееле и англичанин Джозеф Пристли, независимо получившие этот газ в чистом виде. Однако Шееле, который был богатым дворянином и занимался химией в качестве хобби, запоздало опубликовал данные о своём открытии, а Пристли, напротив, тщательно исследовал кислород и назвал его «дефлогистированным воздухом».   

Окончательно развенчал теорию флогистона Антуан Лавуазье к 1790 году, ещё в 1772 году обративший внимание на «мефистический воздух» Резерфорда и аргументировавший, почему это вещество (азот) не может быть флогистоном. Лавуазье изучал, как в ходе химических реакций теряют и приобретают вес различные вещества – олово, свинец, фосфор и сера. Именно он показал, что все эти реакции проходят с участием кислорода и сформулировал принципы окисления и восстановления. Также он продемонстрировал, что окисление в неорганических кислотах и горение — это разные грани одного и того же процесса, который объясняется без участия флогистона.

Вместо заключения

Я напомнил вам эту историю, поскольку современная космология имеет дело с двумя субстанциями, которые донельзя напоминают флогистон своей «костыльностью». Это тёмная материя и тёмная энергия. Существование тёмной материи предположил в 1933 году Фриц Цвикки, охарактеризовавший её как «скрытую массу». Цвикки же первым выдвигал гипотезы, из чего эта масса может состоять, говоря, в частности, о слишком тусклых облаках межзвёздного газа, которые должны быть открыты по мере совершенствования телескопов. Тем не менее, ни этот вариант, ни более экзотические «претенденты» на роль тёмной материи пока не подтверждаются на практике.

Тёмная энергия присутствует в научном дискурсе с 1998 года, считается, что именно эта энергия вызывает ускоряющееся расширение Вселенной и, в сущности, является энергией вакуума. Источник тёмной энергии остаётся невыясненным, в начале XXI века появились даже такие экзотические объяснения, будто эта энергия фиксируется из-за того, что Вселенная вращается. В этом месяце я хочу продолжить данную тему, если сегодняшняя статья вызовет интерес сообщества, однако надеюсь, что тёмная материя всё-таки будет открыта, а не разделит судьбу флогистона и светоносного эфира.

Автор: OlegSivchenko

Источник

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js