Невероятность гипотезы контактной силы

(Том II. Серия XVII, § 24, X, декабрь 1839 г.)

Выше я представил ряд экспериментальных доказательств и соответствующих выводов, которые кажутся мне способными содействовать освещению спорного вопроса в дополнение к замечаниям и доказательствам великих людей, которые ранее высказали свои заключения и мнения в пользу химической теории возбуждения в вольтовом столбе и против теории контакта. В заключение я приведу еще доказательство, основанное на неестественном (unphilosophical), по моему мнению, характере силы, которой объясняются явления согласно контактной теории.

Эта теория предполагает, что когда два различные металла (или скорее тела) соприкасаются, то разнородные частицы действуют одна на другую и индуцируют противоположные состояния. Я не отрицаю этого, напротив, я думаю, что во многих случаях такое действие происходит между смежными частицами, как, например, при подготовке обыкновенных химических явлений, а также акта химического соединения, благодаря которым в вольтаической цепи возникает ток.

Но контактная теория предполагает, что эти частицы, которые благодаря взаимодействию приобрели противоположные электрические состояния, могут разряжать эти состояния друг на друга и все-таки оставаться в первоначальном состоянии совершенно неизменными во всех отношениях. Она предполагает также, что частицы, оказавшиеся благодаря взаимодействию положительными и отрицательными, могут при таком индуктивном действии разряжаться на частицы подобной им материи и таким образом вызывать ток.

Это во всех отношениях не согласуется с известными действиями. Если в отношении химических явлений мы возьмем два вещества, как, например, кислород и водород, то мы можем представить себе согласно теории Берцелиуса, что две соседние частицы по одной из каждого вещества, подверженные действию теплоты, индуцируют противоположные состояния на противоположных поверхностях, и эти состояния, возбуждаясь все более и более, наконец, взаимно разряжаются, причем частицы оказываются уже соединенными и неспособными к повторению эффекта. Во время процесса индукции и до наступления окончательного состояния они не могут самопроизвольно потерять своего состояния; но устраняя причину возрастающей индукции, именно теплоту, можно свести самый эффект к его первоначальным размерам. Если действующие частицы входят в состав электролита, то они могут вызвать силу тока, пропорциональную количеству потребленной химической’ силы.

Но теория контакта, которая согласно фактам должна допускать неизменность действующих частиц (иначе это была бы химическая теория), принуждена также допустить, что сила, способная вызвать в частицах известное состояние по отношению друг к Другу, не способна заставить их удержать это состояние; таким образом, она противоречит великому принципу естественной науки, что причина и действие равны. Если частица платины при соприкосновении с частицей цинка отдает часть своего электричества цинку, так как последний своим присутствием стремится вызвать в платине отрицательное состояние, то почему частица платины должна отнять электричество от других частиц, находящихся позади ее, если это лишь разрушает состояние, только что вызванное в ней цинком. Этого не бывает при обыкновенной индукции (Марианини допускает, что контактное действие может происходить через воздух на заметных расстояниях, ибо шар, получив отрицательный заряд по индукции, не отнимает электричества от окружающих тел, даже если он совершенно не изолирован, и если мы вводим в него электричество, то оно будет выброшено назад с силой, эквивалентной силе индуцирующего тела.

Или, предполагая, что частица цинка своим индуктивным действием стремится сообщить частице платины положительный заряд, а последняя, будучи в связи с землей через другие частицы платины, переносит на них электричество и таким образом приобретает положительное состояние, – спрашивается, почему она должна разряжать его на цинк, который, именно, сообщая платине это состояние, конечно, должен быть способен поддерживать его? Или же, если цинк стремится сообщить платине положительный заряд, почему электричество не переходит на платину от цинка, который также находится в соприкосновении с ней, как и соседние частицы платины? Или еще, если частица цинка в соприкосновении с платиной стремится приобрести положительный заряд, почему электричество не течет в ней от частиц цинка, так же как от частиц платины?

Для рассматриваемого процесса не указывается достаточно вероятная или естественная (philosophic) причина или основание, почему то, а не другое из указанных выше действий должно иметь место, и, как я не раз говорил, я не знаю ни одного факта или случая контактного тока, на коем при отсутствии такой вероятной причины могла бы быть основана теория.

Действительно, контактная теория предполагает, что сила, способная преодолеть мощное сопротивление, например, сопротивление проводников, хороших или дурных, по которым проходит ток, а также сила электролиза, которой тела разлагаются, могут возникнуть из ничего. Без всякого изменения действующего вещества или потребления порождающей силы вызывается ток, который идет вечно против постоянного сопротивления или задерживается лишь, как в вольтовой ванне, продуктами разрушения, нагромождаемыми самим током на его пути. Это действительно было бы творением силы и не похоже ни на одну другую силу в природе. Есть много процессов, которыми форма силы изменяется так, что происходит видимое превращение одной в другую. Так можно превратить химическую силу в электрический ток, или наоборот. Изящные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную превратимость теплоты и электричества; другие опыты Эрстеда и мои показывают взаимную превратимость электричества и магнетизма. Но ни в одном случае, даже в опытах над электрическим угрем и электрическим скатом, нет чистого творения силы без соответствующего исчезновения чего-либо взамен ее.

Надо всегда помнить, что химическая теория предпосылает силу, существование которой предварительно доказано, и затем следит за ее видоизменениями, редко допуская что-либо не подтвержденное соответственным простым химическим явлением. Контактная теория выступает с допущением, к которому она прибавляет другие, смотря по обстоятельствам, пока, наконец, контактная сила вместо определенной неизменной сущности, предположенной вначале Вольтой, становится также изменчивой, как и химическая сила.

Если бы было иначе и контактная теория была бы истинна, то, как мне кажется, должно бы быть отвергнуто равенство причины и действия. Тогда было бы также возможно вечное действие и было бы вовсе нетрудно, имея первично возникший из одного лишь контакта электрический ток, построить электромагнитный прибор, который по своему принципу вечно производил бы механическое действие.

Королевский институт, 26 декабря 1839 г.

Электричество имеет свободное движение и продолжает возбуждаться с неубывающей энергией, производя никогда непрекращающееся действие. Истинность такого предположения бесконечно невероятна».

Гипотеза об электропроводности и о природе материи

Сэру Ричарду Тэйлору

Королевский институт 25 января 1844 г.

Милостивый государь!

В последнюю пятницу я открыл здесь еженедельные вечерние беседы по вопросу, указанному в заголовке, и не имел намерения обнародовать их. Но так как они заключают рассмотрение и приложение лишь немногих из главных элементов, т. е. фактов естественнонаучного познания, то я считаю отчет об их сущности и цели не безынтересным для вас и могущим в то же время служить записью моих мнений и взглядов, поскольку последние определились в настоящее время.

Представление об атомном составе материи, преобладающее ныне, считает атом чем-то материальным, имеющим известный объем и наделенным при создании силами, которые с тех пор и доныне дают ему способность при соединении нескольких атомов в группы образовать различные вещества, коих свойства и действия мы наблюдаем. Эти атомы, хотя соединенные и сдерживаемые вместе своими силами, не соприкасаются друг с другом, но имеют промежуточное пространство, иначе давление или холод не могли бы заставить тело сжиматься в меньший объем, а теплота или растяжение не могли бы расширять его. В жидкостях эти атомы или частицы могут свободно передвигаться одна около другой, а в парах или газах они дальше отстоят друг от друга, но все же связаны между собой своими силами.

Учение об атомах ныне тем или другим способом широко применяется к объяснению явлений, особенно в кристаллографии и химии; оно не в достаточной степени отграничивается от фактов и часто представляется ученым как выражение самых фактов, хотя в лучшем случае это только допущение, об истинности которого мы ничего не можем утверждать, хотя можем говорить или предполагать ее возможность. Слово атом, которое никогда нельзя применять, не предполагая многого, чисто гипотетического, часто имеет в виду выражение простого факта. Но как ни хорошо намерение, я не встречал еще человека, который всегда отделял бы факт от сопутствующих гипотетических представлений, и не может быть сомнения, что слова: определенные пропорции, эквиваленты, элементы (primes) и пр., которые выражали и выражают вполне все факты того, что обычно называется атомной теорией в химии, ныне, однако, оставлены, так как они оказались недостаточно выразительными и не высказывали всего, предполагаемого тем, кто пользуется словом атом вместо них; они не выражали гипотезы так же, как не выражали фактов.

Но всегда разумно и логично по возможности различать факт от теории; опыт прошлых веков достаточен, чтобы показать нам мудрость такого различения, и имея в виду настоящее стремление ума держаться допущения, если оно временно отвечает на все вопросы, и забывать, что это лишь допущение, мы должны всегда помнить, что в таких случаях оно становится предубеждением и неизбежно в той или иной мере искажает отчетливость суждения. Я не могу сомневаться, что тот, кто, как мудрый естествоиспытатель-теоретик (philosopher), наиболее способен проникать в тайны природы и строить гипотезы о способе ее действий, будет также ради собственного успеха и развития других тщательно различать знание, состоящее в допущениях, под чем я разумею теорию и гипотезу, от знания фактов и законов, никогда не возводя первого на степень или авторитет второго и не смешивая последнего, более чем это необходимо, с первым.

Свет и электричество – два великих орудия исследования молекулярного строения тел, и именно, изучая вероятную природу проводимости и непроводимости тел, не разложимых электричеством, действию которого они подвержены, и отношение электричества к пространству, которое представляется пустым и свободным от того, что атомистами называется материей, я пришел к соображениям, изложенным ниже.

Если считать правильным взгляд на строение материи, указанный выше, и я могу говорить о частицах вещества и о пространстве между ними (например, в воде или водяном паре), как о двух различных вещах, то пространство должно считаться единственной непрерывностью, ибо частицы считаются разделенными пространством друг от друга. Пространство должно пронизывать все массы материи во всех направлениях подобно сетке с той разницей, что вместо петель оно образует клеточки, изолирующие все атомы от соседних, лишь само оставаясь непрерывным.

Возьмем случай непроводника – кусок шеллака; с точки зрения атомного строения его пространство должно быть изолятором, ибо, если бы оно было проводником, то шеллак не мог бы служить изолятором, каково бы ни было отношение его материальных атомов к проводящей способности; пространство могло бы быть подобно тонкой металлической ткани, пронизывающей шеллак во всех направлениях, точно так же как мы можем представить кучу кремнистого песку, все поры которого наполнены водой, но оно скорее аналогично смоле в палочке черного сургуча; сургуч хотя и содержит бесконечное множество частиц проводящего угля, распространенного во всех его частях, однако не может проводить электричества, так как непроводящее тело (смола) примешано к углю и отделяет частицы угля друг от друга подобно предполагаемому пространству в шеллаке.

Затем возьмем металл платину или калий, имеющий согласно атомной теории такое же строение. Металл представляет собой проводник; но это возможно лишь при условии, что пространство – проводник; ибо пространство является единственно непрерывной частью металла, атомы же металла не только не соприкасаются (по теории), но, как мы сейчас увидим, должны отстоять друг от друга на значительное расстояние. Поэтому пространство должно быть проводником, иначе металлы не могли бы проводить электричество, но были бы подобны черному сургучу, упомянутому выше.

Но если пространство – проводник, то, каким образом шеллак, сера и пр. могут служить изоляторами? Ведь пространство пронизывает их во всех направлениях. Или же, если пространство – изолятор, то, как может быть проводником металл или иное подобное тело?

Таким образом, принимая обычную атомную теорию, приходится считать пространство непроводником в непроводящих телах и проводником в проводящих, и это заключение приводит к полному опровержению теории. Ибо если пространство является изолятором, то оно не может находиться в проводящих телах, и если оно служит проводником, то оно не может присутствовать в изолирующих телах. Теоретическая концепция, приводящая к таким заключениям, должна быть в основе своей ложна.

В связи с такими заключениями мы можем кратко рассмотреть, какие вероятности представляются уму, если распространить атомную теорию химиков на проводимость металлов. Если разделить удельный вес металлов на атомные числа, мы получим согласно гипотезе числа атомов в равных объемах металлов. Таким образом железо, которое содержит наибольшее число атомов в данном объеме, является наихудшим проводником, если не считать свинца, а золото, содержащее наименьшее число атомов, почти лучший проводник. Эти свойства не находятся в обратном отношении, ибо медь, которая содержит почти столько же атомов, сколько и железо, проводит еще лучше, чем золото, и более чем в шесть раз лучше железа. Свинец, содержащий больше атомов, чем золото, обладает приблизительно 1/12 его проводимости; свинец, который тяжелее олова и гораздо легче платины, обладает лишь вдвое меньшей проводимостью, чем у обоих этих металлов. Все это наблюдается в веществах, которые мы ныне считаем элементарными, или простыми. Как бы мы ни представляли себе частицы материи и пространства между ними, предполагаемое строение материи, если захотеть согласовать его с приведенной таблицей, получится весьма удивительным.

Теперь возьмем калий – плотный металл с превосходной проводимостью. Окись или гидрат его – непроводники, что дает нам некоторые факты, имеющие важное отношение к предполагаемому атомному строению материи.

Когда калий окисляется, то атом его сочетается с атомом кислорода, образуя частицу поташа, последняя же, сочетаясь с частицей воды, состоящей из двух атомов, кислорода и водорода, образует частицу гидрата поташа, так что частица гидрата поташа содержит четыре элементарных атома. Удельный вес калия 0,865, а атомный вес его 40; удельный вес литого гидрата поташа в таком чистом виде, как я мог получить его, оказался приблизительно 2, а его атомный вес 57. Из этих фактов вытекают следующие странные выводы. Кусок калия содержит меньше металла, чем равный (по объему) кусок поташа, образуемого калием и кислородом. Можно прибавлять к калию кислород атом за атомом, а затем еще кислород и водород в двойном числе атомов, но со всеми добавками объем вещества становится все меньше, пока не дойдет до 2/3 первоначальной величины. Если данный объем калия содержит 45 атомов, то такой же объем гидрата поташа содержит около 70 атомов металла калия и, кроме того, 210 атомов кислорода и водорода. При рассмотрении этих предположений я должен, чтобы получить понятный вывод, несколько их расширить. Допустим, что в гидрате поташа все атомы одного размера и почти касаются друг друга и что в 1 куб. дюйме этого вещества содержится 2800 элементарных атомов калия, кислорода и водорода; отнимем 2100 атомов кислорода и водорода; 700 атомов оставшегося калия займут более чем куб. дюйма, и если мы подсчитаем их число в 1 куб. дюйме, то получим 430 или около того. Таким образом пространство, вмещающее 2800 атомов и в числе их 700 чистого калия, оказывается заполненным 430 атомами калия в обычном состоянии этого металла. Из атомной теории с необходимостью следует, что атомы калия далеко отстоят друг от друга в металле, т. е. в нем должно быть гораздо более пространства, чем материи. Но он представляет отличный проводник, так что пространство должно быть проводником. В таком случае как быть с шеллаком, серой и всеми другими изоляторами? Ведь согласно атомной теории пространство в них также имеется.

С другой стороны, объем, вмещающий 430 атомов калия и ничего более в форме металла, при превращении калия в селитру содержит приблизительно то же число атомов калия, т. е. 416 и сверх того в семь раз больше, т. е. 2912 атомов, азота и кислорода. При превращении калия в углекислый калий пространство, вновь заполняемое целиком 430 атомами калия в виде металла, содержит еще 256 атомов калия, образуя 686 атомов этого металла и в придачу 2744 атома кислорода и углерода.

Эти и подобные соображения могут быть распространены на соединения натрия и другие тела с одинаково и даже гипотеза об Электропроводности и б природе материи еще более поразительными результатами, если сравнить свойства одного вещества, например, кислорода или серы, с различными телами.

Я знаю, что явления кристаллизации, химии и физики вообще непреодолимо влекут нас к признанию центров силы. Я сам вынужден, пока в виде гипотезы, допустить их и не могу обойтись без них, но я чувствую большое затруднение в представлении атомов материи с промежуточным пространством, не занятым атомами, которые в телах твердых, жидких и в парах должны более или менее отстоять друг от друга, и я замечаю большие противоречия в выводах, вытекающих из такого воззрения.

Если мы вообще должны делать гипотезы (в отрасли знания, подобной, нашей, едва ли можно обойтись без них), то надежнее всего допускать их как можно меньше, и в этом отношении атомы Босковича, по моему мнению, имеют большое преимущество перед более обычным представлением. Его атомы, если я правильно понимаю его, – простые центры сил, а не частицы материи, в которых заключаются силы. Если в обычном понятии об атомах мы назовем частицы материи независимо от сил а и систему сил в ней и вокруг нее m, то в теории Босковича а исчезает или представляет чисто математическую точку, тогда как в обычном понятии она является маленькой неизменяемой, непроницаемой частью материи, а m представляет атмосферу силы вокруг нее.

Во многих применениях гипотезы об атомах: в кристаллографии, химии, магнетизме и пр., эта разница в допущениях мало или вовсе не изменяет результатов, но в других случаях, как в электропроводности, природе света, способе соединения простых тел в сложные тела, действиях сил вроде теплоты или электричества на материю, разница весьма велика.

Таким образом, обращаясь, например, к калию, в котором атомы в форме металла должны, как мы видели, по обычному воззрению далеко отстоять друг от друга, как можем мы на минуту вообразить, что его проводимость принадлежит ему иначе, чем как следствие свойств пространства, или, как я назвал его выше, m. Точно так же другие свойства его в отношении света или магнетизма, плотности или твердости или удельного веса должны принадлежать ему вследствие свойств или сил m, а не а, которые без атмосферы сил представляются как нечто инертное. Но тогда, конечно, m есть материя калия, ибо где достаточное основание (кроме произвольного допущения) для качественного различения пространства, разделяющего центры двух смежных атомов, и какого-либо иного места между ними? Разницу в степени или даже в природе силы, совместной с законом непрерывности, я могу допустить, но разницу между предполагаемой маленькой твердой частицей и силами, окружающими ее, я не могу представить.

Поэтому для меня а, или ядро, исчезает, и субстанция состоит из сил m в самом деле, какое понятие мы можем составить о ядре независимо от его силы? Все наше представление и знание об атоме и даже наше воображение ограничены идеями о его силах; какая мысль остается для поддержки представления а независимо от признанных сил? Человек, размышляющий об этом предмете, может считать, что трудно думать о силах материи независимо от отдельно существующего нечто, называемого материей, но гораздо труднее и даже невозможно мыслить или представлять эту материю независимо от сил. Но мы знаем и признаем силы во всяком явлении природы, а отвлеченной материи ни в одном. Зачем же тогда допускать существование того, чего мы не знаем, чего мы не можем представить и для чего нет философской необходимости?

Прежде чем закончить эти умозрения, я укажу на несколько важных различий между признанием атомов, состоящих из простых центров сил подобно атомам Босковича, и допущением молекул как чего-то специально материального, обладающих силами внутри и вокруг них.

По последнему воззрению масса материи состоит из атомов и промежуточного пространства, по первому – материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею. В газах атомы касаются друг друга точно так же, как в твердых телах. В этом смысле атомы воды касаются друг друга, находится ли она в состоянии льда, жидкой воды или пара; нет чистого промежуточного пространства. Без сомнения, центры сил находятся на разных расстояниях друг от друга, но воистину материальное одного атома касается материального его соседей.

С этой точки зрения материя сплошь непрерывна, и рассматривая массу ее, мы не должны предполагать различия между ее атомами и промежуточным пространством. Силы вокруг центров сообщают им свойства атомов материи; и эти же силы, когда несколько центров группируются в массу, сообщают каждой части этой массы свойства материи. При таком взгляде исчезает всякое противоречие при рассмотрении электрической изоляции и проводимости.

Можно представить себе атомы в высшей степени эластичными вместо того, чтобы считать их чрезвычайно твердыми и неизменными по форме; их размеры может изменить простое сжатие слоя воздуха между ладонями, и опыты Каньяр де ля Тура доводят это изменение до таких размеров, что разница в объеме до и после сжатия может достигнуть нескольких сот раз. Таково же изменение, когда твердое или жидкое тело обращается в пар.

Также о фигуре атомов и ее определенном и неизменном согласно обычному представлению характере мы должны теперь принять другое воззрение. Самый атом может быть представлен сферическим, сфероидальным или, когда несколько атомов соприкасаются во всех направлениях, фигура их может представлять додекаэдр, ибо каждый атом со всех сторон окружен и связан с 12 другими. Но если атом представляется центром силы, тогда то, что обычно обозначается термином «фигура», теперь должно относиться к расположению и сравнительной интенсивности сил. Сила, сосредоточенная внутри и вокруг центра, может быть однообразна в расположении и интенсивности во всех направлениях вне этого центра, и тогда поверхность равной интенсивности силы, пересекающая радиусы, будет сферой; или закон убывания силы, начиная от центра, может изменяться в разных направлениях, и тогда поверхность равной интенсивности может быть сплющенным или продолговатым сфероидом или иметь иные формы; силы могут быть также расположены так, что сделают атом полярным; или же они могут циркулировать вокруг него по экватору или как-нибудь иначе, как это предполагают для магнитных атомов. Действительно, нельзя представить никакого расположения сил внутри или вокруг твердого ядра материи, которое не могло бы быть ориентировано относительно центра.

В изложенном воззрении на материю, заключающем минимум гипотетичного, материя и атомы ее взаимно проницаемы. Относительно взаимной проницаемости материи можно думать, что описанные выше факты, касающиеся калия и его соединений, достаточны, чтобы доказать этот взгляд человеку, принимающему факт за факт и свободному в своих суждениях от предвзятых идей. Что касается взаимной проницаемости атомов, то на мой взгляд она представляет прекрасную, но вероятную и философскую идею о строении тел сравнительно с другими гипотезами, особенно в случае химических соединений. Если мы предположим атом кислорода и атом калия готовыми к соединению и образованию поташа, то гипотеза твердых, неизменяемых и непроницаемых атомов помещает эти две частицы рядом без труда, так как это механически представимо и нередко встречается. Если же эти два атома представляют центры силы, то они проникают друг друга до самых центров, образуя атом или молекулу с силами, или однообразно распределенными вокруг или расположенными как равнодействующие сил двух составляющих атомов. Способ, каким два или несколько центров сил могут сочетаться и затем под действием больших сил снова разделяться, можно в некоторой степени иллюстрировать соединением двух морских волн разных скоростей в одну, сначала их полное слияние и затем окончательное разделение на две составляющие волны, как это, я полагаю, рассмотрено на собрании Британской ассоциации в Ливерпуле. Конечно, из этого воззрения не следует, что эти центры всегда совпадают; это зависит от относительного расположения сил каждого атома.

Изложенный взгляд на строение материи, по-видимому, необходимо предполагает тот вывод, что материя наполняет все пространство или, по крайней мере, все пространство, на которое распространяется тяготение (включая солнце и его систему), ибо тяготение есть свойство материи, зависящее от известной силы, и эта сила составляет материю. По этому воззрению материя не только взаимно проницаема, но каждый атом, так сказать, простирается по всей солнечной системе, всегда сохраняя свой центр силы. Это с первого взгляда весьма гармонично совпадает с математическими исследованиями Моссотти и сведением явлений электричества, сцепления, тяготения и пр. к одной силе в материи, а также со старым изречением: «материя не может действовать там, где ее нет». Но подобные соображения и рассмотрение связи этой гипотезы с теорией света и предполагаемого эфира не входят в мою задачу. Моим желанием было лишь связать известные факты электропроводимости и химического сродства с нашими взглядами на природу атомов и материи и таким образом содействовать в физике различению наших действительных знаний, т. е. знания фактов и законов от того, что, имея форму знания, может благодаря слишком большому включению чисто гипотетического представлять нечто весьма отличное.

Остаюсь, дорогой сэр, Вашим и пр.

Майкл Фарадей