В основе разработанной Ломоносовым теории строения вещества ("корпускулярной философии") лежали материалистическо-механистические представления. Он считал, что объективно существующий материальный мир познаваем, подчиняется единым законам и причинно обусловлен. Материя тел, считал ученый, дискретна, ее можно физически делить, но до определенного предела. Получающиеся в конце такого деления частицы настолько малы, что "ускользают от чувства зрения", поэтому Ломоносов называл их "нечувствительными физическими частицами". Эти частицы имеют протяженность, фигуру и инерцию, а следовательно, каждая из них состоит из определенного количества материн. Ученый разделял представление Ньютона о том, что количество материи тела пропорционально силе инерции.
Все "нечувствительные частицы" считал ученый, имеют шарообразную форму, состоят из абсолютно твердой бесструктурной первичной материи и имеют на поверхности правильно организованные выступы и впадины. Единственное различие между частицами различных тел заключается лишь в величине их диаметров. "Нечувствительные частицы" могут объединяться в "корпускулы", причём соотношение частиц в каждой из них такое же, как и соотношение, веществ, составляющих данное тело.
Основополагающим в "корпускулярной философии" Ломоносова было положение о том, что движение является атрибутом материи. Частицы тел могут совершать три вида движения: поступательное, колебательное и вращательное. Последнее, по мнению Ломоносова, является наиболее распространенным и, как будет показано ниже, таит наибольшие возможности для объяснения многих физических явлений. В "корпускулярной философии" Ломоносова оно играет роль наиболее универсального и всеобщего способа взаимодействия частиц.
Ломоносов, как и Декарт, был убежден, что общее количество движения в мире остается неизменным. Оно определяется количеством "первичного" движения, которое механическим взаимодействием в результате столкновений передается другим, ранее покоящимся частицам и телам, приобретающим вследствие этого "производное" движение.
По мысли Ломоносова, "чувствительные" тела обладают общими и частными качествами. Первые определяются фигурой тела, его движением и инерцией, положением составляющих тело частиц. Общие качества выражают сущность тела и лежат в основе его частных качеств, к которым ученый относит "теплоту и холод; сцепление частей, удельный вес, цвет, запах, вкус, упругость и специфические свойства, каковы силы электрическая, магнитная, лечебная". Изменение частных качеств происходит вследствие перестройки расположения, изменения характера или интенсивности внутреннего движения составляющих тело частиц. Поскольку же "нечувствительные частицы" состоят из определенного количества материи и перемещаются по законам механики, то "частные качества тел могут быть объяснены законами механики".
Наиболее сложным для решения в разрабатываемом Ломоносовым учении о строении вещества оказался вопрос о силах, действующих между частицами или на частицы в твердом теле, заставляющие их образовывать корпускулы и сами твердые тела. Здесь, как нам представляется, следует сделать небольшое, но очень существенное отступление. Как последовательный материалист Ломоносов не принял феноменологического подхода Ньютона, который лишь зафиксировал наличие сил, действующих на расстоянии между любыми материальными телами, а от объяснения причин такого явления отказался, заявив, что гипотез он не изобретает (gypothesis non fingo). Неприемлемой для русского ученого оказалась и теория Декарта, согласно которой тела взаимодействуют между собой, поскольку между ними образуются вихри той или иной степени интенсивности.
Действие на расстоянии противоречило, считал Ломоносов, закону сохранения движения, ведь в этом случае "…тело А, находясь в абсолютном покое, движет тело В. Последнее же будет двигаться по направлению к телу. А т. е. к нему прибавится нечто новое, а именно, движение к телу А, которого ранее не было", В силу закона сохранения движения тело А должно отдать В некоторое количество движения, которым само не обладает, "следовательно, тело А, находясь в абсолютном покое, не может двигать другое тело В", а отсюда вывод: "никакое чистое притяжение не может существовать". Тогда что же удерживает частицы друг около друга в твердом теле? По Ломоносову, частицы сцепляются "силой давления некоего жидкого тела, которое окружает тела и наполняет их поры". Можно предположить, что таким "жидким телом", по мнению ученого, является эфир, наполняющий все мировое пространство.
Если таким образом можно было решить вопрос о взаимодействии частиц, то для объяснения причин всемирного тяготения Ломоносову потребовалась другая гипотеза.
Разработав основания своей "корпускулярной философии", Ломоносов стремится найти в совмещении и взаимодействии материальных частиц объяснение всех явлений природы.
Прежде всего заинтересовали его тепловые явления. В "Размышлениях о причине теплоты и холода" (1744) и в ряде последующих работ он отрицает господствовавшую в то время теорию теплорода. В противовес ей Ломоносов создает собственную теорию, согласно которой мерой температуры тела является скорость вращения составляющих это тело "нечувствительных частиц". Поскольку они состоят из неразрушимой материи, то могут вращаться со сколь угодно большой скоростью. Поэтому не существует предельно высокой степени температуры. Вместе с тем вращение частиц может уменьшаться, в принципе, до полного прекращения. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая, и последняя, степень холода (блестящий вывод, к которому невозможно было прийти на основе теплородной теории). Однако и "высшей степени холода (т. е. абсолютного нуля температур. - Э. К.) на нашем земноводном шаре не существует".
Гипотеза о вращательном движении частиц позволила Ломоносову объяснить превращение механической работы в тепло. При трении тела находящиеся на его поверхности частицы начинают быстрее вращаться, и происходит нагрев сперва поверхности, а затем вращение передается частицам, находящимся внутри тела. Так же объясняется нагревание холодного тела при его контакте с горячим.
В "Размышлениях о причине теплоты и холода" Ломоносов выдвинул принцип, позднее получивший название второго начала термодинамики: частицы более нагретого тела, согласно закону сохранения движения, не могут возбудить в менее нагретом теле более быстрого движения, поэтому "холодное тело В, погруженное в тело А, очевидно, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет А".
Заканчивая описание тепловой теории Ломоносова, нельзя не сказать о том, что зимой 1759/60 г. академик И. А. Браун при деятельном участии Ломоносова проводил опыты по замораживанию ртути, считавшейся до этого времени жидким, не способным замерзать телом. Замораживание ртути было выдающимся научным событием и большим достижением отечественной науки.
Другим примером применения "корпускулярной философии" к решению физических проблем является кинетическая теория газов. Сразу же следует оговориться, что в первой половине XVIII в. был известен только один газ - воздух. В работе "Опыт упругости воздуха" Ломоносов разработал свою теорию, отличавшуюся от ньютоновской, основанной на неприемлемых для Ломоносова силах отталкивания. Предшественник Ломоносова по Петербургской Академии наук Даниил Бернулли, хотя и занимался этой же проблемой, но лишь математически доказал суммарный эффект от движения шарообразных частиц газа, не обсуждая причин взаимного отталкивания.
Ломоносов выстраивает кинетическую теорию газа на основе следующего принципа: частицы взаимодействуют только столкновением, никаких иных сил между ними возникнуть не может. Вместе с тем опыт подсказывает, что воздух можно сжать в 30 раз и более, это означает, что частицы воздуха достаточно удалены друг от друга. Разрешая это противоречие, Ломоносов предполагает, что после столкновений частицы разлетаются в разные стороны, а затем снова сталкиваются. Механизм такого взаимодействия, по Ломоносову, выглядел следующим образом: сферические, абсолютно неупругие частицы воздуха (в этой работе он называет эти частицы атомами) при тепловом вращении касаются друг друга, а поскольку на их поверхности имеются выступы и впадины, они, соприкоснувшись, отбрасываются друг от друга центробежной силой. Под действием силы тяжести частицы газа опускаются книзу, соприкасаются и снова разлетаются в разные стороны.
При обсуждении этой работы Ломоносова в академическом собрании академик Рихман указал, что в его теории не объясняется, "почему упругость воздуха пропорциональна его плотности". В ответ Ломоносов написал "Прибавление", в котором, исходя из опытов с замораживанием воды в чугунных бомбах и считая, что расширение льда происходит за счет упругости находящегося в его порах воздуха, т. е. из совершенно не относящихся (как теперь ясно) к делу предпосылок, сделал правильный вывод, что при сильном сжатии закон пропорциональности между давлением и плотностью воздуха должен нарушаться. Вывод, опережающий Ван-дер-Ваальса на 125 лет.
Заметное место в ломоносовской теории газов занимают акустические явления. "Звук производится, - писал он, - когда какое-либо тело, приведенное в колебательное движение, сообщает таковое ближайшим к себе частицам воздуха, которые вместе с последующими передают его непрерывным рядом на расстояние, пропорциональное силе удара. Так как большинство атомов воздуха не находится в соприкосновении, то для возбуждения в другом звукового движения необходимо, чтобы каждый атом, получивший толчок от колеблющегося звучащего тела, сперва подошел к другому атому, затратил на это движение время, хотя и бесконечно малое. Эти бесконечно малые промежутки времени при бесконечном числе атомов на более далеких расстояниях последовательной передачи составляют заметный промежуток времени". Из приведенной цитаты совершенно очевидно, насколько близким к современному было понимание Ломоносовым акустических явлений.
Следующим по времени было применение Ломоносовым "корпускулярной философии" к объяснению химических явлений. Среди его физико-химических работ первой является диссертация "О действии химических растворителей вообще". Оценивая ее впоследствии, ученый писал: "Основанная на химических опытах и физических началах теория растворов есть первый пример и образец для основания истинной физической химии, потому что в ней явления объясняются по твердым законам механики, а не на жалком основании притяжения".
В этой работе Ломоносов попытался показать, "каким образом и какими силами растворитель может разъединять частицы растворяемого, уничтожив их взаимное сцепление". На основе своих опытов, когда он рассматривал в микроскоп процесс "растворения" металлов в кислоте, Ломоносов разделил процессы растворения на две группы: с выделением и с поглощением тепла, т. е., по существу, ввел понятие об экзотермических и эндотермических реакциях. И вот как он объяснил разницу между ними: в первом случае воздух, находящийся в промежутках между частицами металла, в момент растворения проявляет действие своей упругости потому, что "дело частиц кислотного спирта при растворении-вводить в поры металлов частицы воздуха, а воздуха - вновь приобретая упругость, отбрасывать частицы металла". При этом отбрасываемые частицы разносятся по растворителю, приводя его частицы во вращение и нагревая растворитель.
Во втором случае, при растворении солей в воде, механизм растворения иной: все соли содержат значительное количество воды, которая находится в "порах солей", поэтому, воздух, рассеянный в воде, в эти поры войти уже не может, "не может ни расширяться в них от возродившейся упругости, ни действовать на частицы солей". Частицы солей отделяются в этом случае друг от друга "действием самой воды", вода заставляет их вращаться, отдавая тем самым часть своего тепла. В результате происходит охлаждение раствора.
Позднее, к 1752 г., Ломоносов приступил к созданию целостного курса "Истинной физической химии". До нас дошло только "Введение", которому должны были следовать две другие части, посвященные экспериментальной и эмпирической частям физической химии. Однако вследствие ряда причин неоконченной осталось и само "Введение", которое начинается с определения новой науки: "Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях. Она может быть названа также химической философией…".
Для того чтобы выяснить, что происходит в смешанных телах при химических реакциях, нужно узнать химический состав тел или, выражаясь языком Ломоносова, определить те "начала", из которых данное вещество состоит. В этих "началах" нельзя отделить друг от друга "никакими химическими операциями или различить рассуждением разнородные тела".
Частные качества тел могут быть разделены на две группы, в первую из которых Ломоносов относит зависящие "от различного сцепления частиц" - твердость или жидкость тела, жесткость, ковкость, хрупкость, текучесть и т. п. Величиной силы сцепления частиц обусловлена и упругость тел, т. е. способность восстанавливать свою форму после прекращения деформирующего воздействия.
Ко второй группе частных качеств Ломоносов относит цвет, прозрачность, вкус и запах. Каждое из "качеств" этой группы может быть, как и цвет, - простым или сложным. Однако, "которые из них простые, которые сложные, можно объяснить не раньше, если когда будет известна природа начал".
В ранней своей диссертации "Элементы математической химии" (1741) Ломоносов дал определение химии как "науке об изменениях в смешанном теле, поскольку оно смешанное". По мнению Ломоносова, все без исключения химические вещества являются смешанными, состоящими "из двух или нескольких разнородных тел, соединенных друг с другом так, что любая чувствительная часть этого тела совершенно подобна любой другой его части в отношения частных качеств". Поскольку же "смешанное тело в любой чувствительной частице подобно самому себе", то, понятно, частицы смешанного тела состоят из разнородных частиц тел, "из которых состоит смешанное тело". Тогда изменение смешанного тела происходит "от прибавления или потери одной или нескольких составляющих", что возможно при соответствующем изменении состава "корпускул". Для этого необходимо разрушить связи между составляющими корпускулу частицами. Основным инструментом для этого является огонь. Однако нагрев тела может привести лишь к уменьшению силы сцепления между частицами, расположение их можно изменить лишь при помощи воздуха или воды. "Таким образом, - писал ученый, - первый - как бы орудие, а вторые два - носители". Воздух, по мнению Ломоносова, может быть "наружным" или "внутренним". Наружный воздух, обдувая тело, уносит с поверхности оторвавшиеся его частицы или доставляет к нему посторонние. "Внутренний" воздух находится в порах тела, т. е. в промежутках между составляющими тело частицами. Он рассеивает освободившиеся от внутреннего сцепления частицы и смешивается затем с наружным. Действием "наружного" и "внутреннего" воздуха изменяются химические свойства веществ.
Механизм действия воды при химических реакциях был разработан ученым ранее в "Диссертации о действии химических растворителей…".
Цель приложения физики к изучению химии Ломоносов видит главным образом в том, чтобы открыть путь к познанию строения тел и свойств составляющих эти тела "нечувствительных физических частиц". При этом необходимо, считал ученый, выяснить, "что надо призвать из физики в химию, что можно к ней присоединить, чтобы обе науки благодаря взаимной помощи получили большее развитие и в каждой пролился более яркий свет".
Несколько позднее, в 1756 г., в "Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющем" Ломоносов обнародовал результаты своих размышлений и опытов по приложению "корпускулярной философии" к оптическим явлениям. В этом слове он отверг теорию истечения света Ньютона и предпочел ей "волновую" гипотезу Декарта и Гюйгенса, но преобразовал ее в соответствии со своими представлениями.,
Ломоносов полагал, что мировое пространство заполнено эфиром, который состоит из материальных частиц трех разных диаметров. Свет передается колебательным движением эфирных частиц, а поскольку они находятся в непосредственном контакте друг с другом, то "распростертие света" - его скорость имеет очень большую величину. От Солнца до Земли свет доходит "в каждые осьм минут".
По предположению ученого, белый свет состоит из красного, желтого и голубого. Первый из них передают частицы эфира, имеющие самый крупный диаметр, желтый - средние, а голубой - самого малого диаметра. "Прочие цвета рождаются от смешения" этих трех.
В "зацеплении" своими правильно организованными на поверхности выступами и впадинами (наподобие зубчатых колес) могут находиться лишь частицы одинакового диаметра. "Видя строение сея системы, посмотрим на ее движение. Когда солнечные лучи свет и теплоту на чувствительные тела простирают, тогда зыблющимся (колебательным. - Э. К.) движением эфирные шарички к поверхности оных прикасаются и прижимаются, коловратным (вращательным. - Э. К.) движением об оную трутся. Таким образом совместные (равного диаметра. - Э. К.) эфирные частицы сцепляются с совместными себе частицами первоначальных материй, тела составляющих". Дальнейший ход событий, по Ломоносову, выглядит следующим образом: если на поверхности тела имеются частицы всех трех "первоначальных материй", тогда с ними вступают в "зацепление" все три вида эфирных частиц, через "совмещение теряют коловратное движение" и "тела тогда показываются черными". Остальные цвета получаются при совмещении одного или двух видов частиц эфира соответственно с одним или двумя родами частиц "первоначальных материй". Таким образом, "цветов причина есть коловратное движение эфира, которое теплоту купно сообщает земным телам от Солнца".
Ломоносову не удалось разработать столь же подробно теорию электрических явлений. По-видимому, эмпирического материала, накопленного к его времени, было явно недостаточно, чтобы построить более или менее стройную теорию. Свои мысли об электрических явлениях Ломоносов высказал в "Слове о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих" (1753). В нем он отрицал наличие какой-либо "электрической жидкости", показал идентичность атмосферного и "искусственного" электричества: "Произведенные через искусство электрические искры, которые к приближающемуся персту с треском выскакивают, суть одного свойства (курсив мой. - Э. К.) с громовыми ударами". В этом "Слове" Ломоносов высказал соображения о причинах возникновения атмосферного электричества.