Теория флогистона как научное предостережение

Довольно отважный и безрассудный опыт свидетельствует, что, если опубликовать на Хабре статью «Проявление свойств эфира: доказано экспериментами ^[1]», 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 ^[2]», 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 ^[3]. 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 ^[4] 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 ^[5]» 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 ^[6]. 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 ^[7]. 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 ^[8]», философской концепции, которую развивает в своих заметках мой уважаемый читатель Виктор Георгиевич Сиротин @visirok ^[9] .

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 ^[10]. 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 ^[11]. 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 ^[12] 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 ^[13]» о ранней истории развития металлургии, написанная уважаемым @26091981 ^[14] 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 ^[15]». 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 ^[16] в 1933 году Фриц Цвикки, охарактеризовавший её как «скрытую массу ^[17]». Цвикки же первым выдвигал гипотезы, из чего эта масса может состоять, говоря, в частности, о слишком тусклых облаках межзвёздного газа ^[18], 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 ^[19]. Источник тёмной энергии остаётся невыясненным, в начале XXI века появились даже такие экзотические объяснения, будто эта энергия фиксируется из-за того, что Вселенная вращается ^[20]. 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.