Джон Дальтон і історія атомізму XIX століття

Автор тексту: Friedrich Hohenstaufen

Решту авторських статей можна прочитати тут

Говорячи про матеріалізм початку XIX століття, ми говоримо передусім про редукцію психіки до фізіології мозку. Чи то на прикладі Кабаніса, чи то якихось інших фізіологів, а може, навіть френологів на кшталт Галля. Уже не так часто згадують сенсуалізм і утилітаризм, хоча це вкрай важлива філософська основа для матеріалістичної етики та теорії пізнання. У цьому разі зазвичай говорять про французьку школу послідовників Локка у XVIII столітті як про матеріалістичну версію сенсуалізму; трохи рідше — про утилітаристів на кшталт Бентама і Мілля (бо їх просто не пов’язують із матеріалізмом); але ще значно рідше — про французьких «ідеологів», просто тому, що про них нині майже не знають. Та є ще одна вкрай важлива частина матеріалізму — питання про те, що таке сама матерія, з чого вона складається, як формується відмінність між живими організмами й мертвими каменями. Частково з цими питаннями працювали навіть фізіологи, а також близькі до них зоологи, ботаніки тощо. Але якщо біолог із матеріалістичними поглядами заявляв, що межа між живим і неживим, між рослинами, тваринами й людиною, та й узагалі всі можливі межі — це радше умовності, то навіть такі автори могли давати різні варіанти відповіді на питання, з чого ж складається та матерія, яка переживає ці суто кількісні трансформації. У зовсім узагальненому вигляді на це було лише дві відповіді:

• в одному випадку матерія уявлялася як нека нескінченна глина, або кипляча рідина, або ще якесь протяжне щось, усередині якого немає жодних порожнин. Усе видиме розмаїття пояснювалося просто різним станом цього гігантського «щось» на різних його ділянках;
• в іншому випадку матерія уявлялася як крихітний пісок, розділений порожнинами, комбінації якого породжували дедалі більші й більші об’єкти. А видиме розмаїття пояснювалося відмінністю в цих комбінаціях;

Перша теорія матерії називається континуалістською, від слова «континуум», безперервний і єдиний простір. А друга теорія називається корпускулярною, або дискретною, ніби натякаючи на подільність, окремі частини. Найчастіше корпускулярна теорія набуває форми атомізму, хоча це й не обов’язково. Зазвичай ці дві версії матерії відрізняються тим, як за їхньою допомогою пояснювати відчутні якості речей (кольори, запахи тощо), узгодженість із математикою та спостережуваними явищами. І та, і та мають свої переваги й недоліки. І найчастіше філософи та вчені приймали теорії матерії-континууму, бо така версія залишала значно більше простору для пояснення складних речей за допомогою фантазії. Вона краще узгоджується з математикою, де допустиме ділення будь-якого простору до безкінечності, і взагалі будь-які довільні маніпуляції з величинами. Вона краще пояснює те, яким чином на великих відстанях можливе передавання звуку та найрізноманітніших сил, зокрема гравітації космічних тіл. Дискретні теорії могли частково мімікрувати під квазіконтинуальні: наприклад, майже прибрати порожнечі й перетворити світ на полотно з щільно прилягаючих одна до одної частинок. Самі частинки могли наділятися якостями, щоб пояснювати, як із червоних частинок може формуватися червоний об’єкт. Ба більше, вони могли ділитися до безкінечності. Вони також могли бути стихіями: вогнем, водою, землею й повітрям. І взагалі набувати найрізноманітніших властивостей, аж до певної форми одухотвореності, як «монади» у Лейбніца. 

Матеріаліст міг приймати і континуальні форми матерії, і корпускулярні, і так само будь-який ідеаліст міг використовувати обидві форми. І, як правило, континуальні уявлення схиляють їхніх прихильників до особливих форм логічного мислення, у яких ціле завжди важливіше за свої частини. Такий тип міркування (холізм) призводить до безлічі непомітних, але довготривалих наслідків. Холіст значно ймовірніше прийме етику колективної відповідальності, націоналізму, соціалізму та комунізму. Він значно легше сприйме як належне, що окрема людина просто зобов’язана жертвувати собою заради блага суспільства, колективу або інших спільних ідей, які стоять вище за неї. Така людина значно легше поставиться до думки, що слова, які узагальнюють поодинокі предмети, — це не просто зручні символи, а особливі сутності, чиє існування важливіше за існування окремих предметів, які вони називають. І тому навіть переконаний матеріаліст і борець із релігійним мракобіссям постійно виявляється збитим із пантелику й постійно йде на поступки своїм ворогам, сам цього не помічаючи, якщо сам він «холіст» і підтримує континуальні уявлення про матерію або близькі до них різновиди корпускуляризму. 

Найпослідовнішою версією корпускуляризму стає атомізм. Це уявлення про те, що матерія складається з принципово неподільних частинок, які не мають жодних якостей і відрізняються лише кількісними показниками. Ці атоми зовсім прості й, безперечно, не наділені жодними духовними властивостями. Саме тому вони легше поєднувалися з матеріалізмом як певною антиспіритуалістичною теорією. Та й психологічно таке мислення дає змогу простіше позбутися всіх перелічених вище вад колективності (або переваг — це вже як дивитися) й вибудувати світогляд індивідуалістичний, ліберальний та егоїстичний. Навіть історично склалося так, що атомізм міцно пов’язувався з ученням епікурейців, античної школи гедонізму. А сам гедонізм ідеально поєднується з уже названою вище сенсуалістичною та утилітарною гносеологією. Саме тому атомізм зазнавав найжорсткіших переслідувань і адміністративними заходами виганявся з науки, причому навіть у відносно недавньому XIX столітті! Так, відомий французький хімік Бертло, будучи міністром просвітництва Франції, фактично законодавчо заборонив уживати слово «атом» у шкільних і університетських підручниках хімії. Французькі студенти аж до початку XX століття були змушені вивчати хімію за заплутаними формулами еквівалентів саме через позитивістське й континуалістське лобі.

Але, крім морального осуду, послідовний матеріалістичний атомізм мав і низку інших вад, найвідоміші з яких такі: (1) труднощі в поясненні дії на відстані; (2) виникнення якостей із первісно безякісного матеріалу; (3) стійкі складені форми, які стабільно відтворюються, хоча самі атоми рухаються випадково й хаотично; (4) абстрактність самого поняття атома й неможливість побачити його на власні очі; (5) відсутність конкретних механізмів, які зробили б цю теорію практично застосовною. І це ще не всі проблеми, пов’язані з допущенням атомізму наприкінці XVIII століття. Усе це робило атомізм уразливим до критики, і його могли майже справедливо звинувачувати у відсутності розвитку від часів античності. Послідовний атомізм цього типу справді мало чим відрізняється від атомізму Епікура. А щойно хтось намагається вносити зміни, як правило, руйнується абсолютно весь логічний каркас, і такий атоміст перестає бути матеріалістом.

Навіть славетні прихильники атомізму — Бойль і Ньютон — не були послідовними, а тому поєднували атомістичні погляди з екзотичними уявленнями про релігію та чудесні божественні сили, які спрямовують атоми до правильних цілей. І навіть у такій формі атомізм не був остаточно легалізований, і самої лише репутації славетних учених уважалося недостатньо. Відтоді знешкоджений і пригнічений атомізм дістав певне поширення серед хіміків, але й то далеко не серед усіх. Та знову ж таки, це була лише зручна гіпотеза, щоб уявити механізм перетворень речовини. У практику хіміка це не вносило жодних змін. Тому навіть коли Лавуазьє і Прістлі, загалом доволі матеріалістично налаштовані хіміки, робили свої відкриття щодо складу атмосфери, їм не було потреби приймати атомістичну теорію. І багато передових хіміків Франції, спадкоємців Лавуазьє, не просто не були атомістами, а навіть свідомо виступали проти цієї гіпотези. Але все ж саме серед хіміків, чиї відкриття нарешті наблизилися до того, щоб зробити хімію суворо кількісною наукою, атомізм дістав нове, більш наукове й емпірично підтверджуване обґрунтування.

Фундамент хімічної революції:
Від метафізики до терезів

Отже, ближче до кінця XVIII століття (1780-1800) атомізм ще не був тим, чим він стане після Дальтона, Берцеліуса, Авогадро, Канніццаро та Менделєєва. У нього ще не було сталої таблиці атомних ваг, чіткого розрізнення між атомом і молекулою, загальної хімічної нотації, зрілої кінетичної теорії газів. Головне досягнення цього двадцятиріччя — створення емпіричного й кількісного фундаменту, без якого тріумф атомізму в XIX столітті був би неможливий. Однак атомістичні уявлення починали проникати в науку й раніше. Тут досить згадати уявлення Ньютона та його послідовників про те, що світло є частинкою, або хоча б таких авторів середини XVIII століття, як Бернуллі (який уже намагався пояснити поведінку атомів газу в замкненому просторі) або Ломоносов; ну і загальну схильність французьких філософів до матеріалістичних ідей, які вони самі нерідко пов’язували з античним атомізмом та епікурейською філософією. Отже, на початок 1780-х років атомізм уже мав дві лінії:

1. Перша йшла від механічної філософії XVII століття: Гассенді, Бойль, ньютонівська корпускулярна традиція, спроби пояснювати властивості тіл через малі частинки, їхню форму, рух, зчеплення, притягання й відштовхування. Це майже класичний, епікурейський атомізм.
2. Друга лінія була більш хімічною: уявлення про найдрібніші «корпускули» або «мінімуми» речовини, які практично не розкладаються далі лабораторними засобами. У сучасній історіографії цю другу лінію іноді називають «хімічним атомізмом»: ідеться не про метафізично абсолютно неподільні атоми, а про операційно останні частинки речовини, до яких доходить аналіз.

Стоячи на цій розвилці, сучасний атомізм піде радше другим шляхом, і тому він значно відрізняється від епікурейського атомізму. І навіть у фізиці ще у XVIII столітті до старої механічної корпускулярності додалася ньютонівська ідея сил. Сам Ньютон мислив атомізм ще радше в класичному сенсі, як умовний Лукрецій, хоч і з допущеннями гравітаційних взаємодій. На цій основі невдовзі постала ціла серія спроб вибудувати атомістичну теорію гравітації, щоб пояснити феномен дії на відстані (коли Сонце впливає на орбіти планет, віддалених гігантськими проміжками порожнечі, що виглядає як телекінез і сумнівна магія). Ці теорії часто називають за іменами їхніх головних прихильників – Фатіо-Ле Саж, і послідовники подібних теорій продовжували свої спроби пояснити гравітацію через атомізм навіть у перші десятиліття XIX століття. Але невдовзі ідеї з ньютонівської фізики змогли обернути проти матеріалізму. Важливою постаттю тут був слов’янський учений Руджер Бошкович (1711-1787), який ще 1758 року сформулював дуже екзотичну теорію. Бошкович відмовився від матеріальних «твердих кульок» Демокріта. У його моделі атом — це непротяжна матеріальна точка, що є центром сил. На надмалих відстанях між цими точками діє колосальне відштовхування (що пояснює непроникність матерії), на великих відстанях — притягання (гравітація), а на середніх відстанях сили коливаються. Ця модель справила колосальний вплив на Фарадея і Кельвіна та підготувала фізиків до сприйняття атома як складної силової системи, а не просто шматка твердого речовини. Наслідки таких підходів позначаються на атомізмі й досі, коли у XXI столітті атом зводять до стану поля. У певному сенсі можна сказати, що Бошкович був одним із попередників теорії поля, енергетизму тощо. 

Напевно, найголовніше хімічне досягнення кінця XVIII століття пов’язане з іменем Лавуазьє (1743-1794). Він радикально зміцнив кількісний характер хімії. Між 1770-ми та 1790-ми роками він систематично застосовував терези до хімічних перетворень і закріпив принцип збереження маси в реакції: маса кінцевих продуктів відповідає масі вихідних речовин, що вступили в реакцію. Якщо в підсумку маса й збільшується, то за рахунок поглинання додаткових речовин, наприклад кисню з повітря. Для теорії атомізму це мало фундаментальне значення, хоча сам Лавуазьє ставився до метафізичного атомізму скептично, вважаючи міркування про невидимі корпускули ненауковими. 

«Якщо під назвою елементів ми розумітимемо неподільні молекули, що становлять матерію, то вельми ймовірно, що ми їх не знаємо… Хімія прийде до свого вдосконалення, якщо ми відмовимося від метафізичних суперечок про першооснови й будемо вважати елементами ті речовини, які ми не можемо розкласти доступними нам методами».

І все ж, якщо хімічна реакція не знищує матерію, а переводить її з одного сполучення в інше, тоді дедалі наполегливіше напрошується уявлення про матеріальні одиниці, що зберігаються, або, принаймні, про прості речовини, що зберігаються й переходять через реакції. Друге досягнення Лавуазьє — нова теорія елемента. Він остаточно відмовляється від флогістону й алхімічних «начал». У «Елементарному курсі хімії» (1789) він дав суто операційне визначення хімічного елемента. Для нього це речовина, яку неможливо розкласти на простіші компоненти за допомогою доступних методів. Він виокремив 33 такі елементи, серед яких були кисень, азот, водень, сірка тощо, включно навіть із світлом і теплородом, які згодом вилучили як ненаукові. Це різко відрізнялося від старої схеми чотирьох елементів і переводило питання про склад речовини в лабораторну площину. Теорія елементів зазнала смертельного удару після розкладу старих стихій «повітря» і «води». Повітря перестало бути єдиним елементом і було поділене на кисневу та азотну частини; вода перестала бути елементарним тілом і була осмислена як сполука водню та кисню. Навколо цих дослідів, окрім Лавуазьє, стояли Прістлі, Шеєле, Кавендіш, Меньє та інші учасники пневматичної хімії. Ще за два роки до цієї публікації, тобто 1787 року, Гітон де Морво, Лавуазьє, Бертолле і Фуркруа видали «Méthode de nomenclature chimique». Їхня нова номенклатура змушувала назву речовини виражати її склад: оксиди, кислоти, солі, сульфати, нітрати тощо. 

Паралельно постає стехіометрична лінія. Ще далекого 1777 року Карл Фрідріх Венцель (1740-1793) уже працював над кількісними відношеннями кислот і основ; у 1792-1794 роках Ієремія Беньямін Ріхтер (1762-1807) видає «Початкові засади стехіометрії», де вводить сам термін «стехіометрія» як мистецтво хімічних вимірювань, що вивчає закони сполучення речовин. Праця Ріхтера перетворювала майже метафізичну «хімічну спорідненість» на простір числових відношень. Він показав, що під час утворення нейтральних солей різні кислоти й основи сполучаються одна з одною у строго визначених, сталих вагових співвідношеннях. Ріхтер навіть уклав перші таблиці «еквівалентних ваг». Це відкриття вперше продемонструвало математичну строгість хімічних реакцій, що прямо натякало на існування дискретних одиниць речовини зі сталою масою.

Ще одна лінія, безпосередньо пов’язана зі стехіометрією, — кристалографія. Рене-Жюст Гаюї (1743-1822) в «Essai d’une théorie sur la structure des crystaux» 1784 року розробляв теорію структури кристалів через «молекули» або малі складові одиниці, з яких через закономірне накладання й убування постають видимі форми. Він показував, що макроскопічна геометрія кристала може залежати від регулярного розташування невидимих структурних одиниць. Його теорія поєднувала мінералогію, геометрію та корпускулярне уявлення про будову твердих тіл. На прикріпленому нижче рисунку можна побачити, наскільки наочно його геометрія візуалізувала дискретність. Він доводив, що якщо ми почнемо подумки розколювати кристал кальциту, то завжди отримуватимемо дедалі дрібніші, але суворо однакові за формою паралелепіпеди — те, що він назвав «інтегруючими молекулами» (molécules integrantes). Макроскопічна форма, наприклад скошені кути, пояснювалася тим, що ці невидимі «мікроблоки» вкладалися східцями. Це був найсильніший аргумент на користь того, що всередині твердого тіла прихований суворий просторовий порядок дискретних одиниць матерії, а не суцільна «глина».

Наприкінці XVIII століття подібні міркування про структуру матерії були значно підкріплені французьким хіміком Жозефом Луї Прустом (1754-1826), який у ході багаторічних дискусій із Клодом Бертолле сформулював один із фундаментальних законів хімії — закон сталості складу. Кожна певна хімічна сполука, незалежно від способу її одержання, складається з одних і тих самих елементів, причому відношення їхніх мас є сталими. Наприклад, як би не було одержано карбонат міді (у лабораторії чи знайдений у вигляді мінералу малахіту), співвідношення міді, вуглецю та кисню в ньому завжди суворо фіксоване. На початку XIX століття це стане приводом для відкритої полеміки з Бертолле, який допускав змінний склад сполук і дотримувався континуальних уявлень про матерію. Пруст довів дискретність у природі сполук, і в найближчі роки наукова спільнота визнала його слушність. Для атомістичної концепції це означало, що сполуки утворюються шляхом зчеплення цілих, неподільних частинок. І окремо тут уже варто згадати Вільяма Гіггінса (1763-1825), разом із його дядьком Брайаном Гіггінсом (1741-1818), чиї ідеї Вільям підхопив і розвинув далі. 1789 року Вільям видав «A Comparative View of the Phlogistic and Antiphlogistic Theories». Книга вийшла тоді ж, коли й «Елементарний курс» Лавуазьє, і тут підтримувалися ідеї французького хіміка та велася атака на прихильників теорії флогістону (особливої сутності, яка пояснювала тепло в тілах). Завдяки цій праці Гіггінса часто згадують як постать, що до Дальтона використовувала атомні уявлення щодо хімічної сполуки, і йому навіть приписували раннє формулювання закону кратних відношень, хоча подальша історіографія обережніше ставиться до таких заяв про пріоритет. У будь-якому разі Гіггінс уже 1789 року міг міркувати про «останні частинки» кисню, водню, сірки, азоту й пов’язувати різні сполуки з різною кількістю таких частинок, а також навіть передбачив деякі особливості їхньої структури, зокрема теплову атмосферу, що оточувала окремі атоми. У цей самий період розвивалися зародки кінетичних уявлень. Хоча тепло ще вважали невагомим флюїдом («теплородом»), такі вчені, як Жан-Антуан Нолле або автори лесажівських моделей гравітації, продовжували розвивати ідеї про те, що гази складаються з пружних частинок, які перебувають у русі й хаотично зіштовхуються одна з одною.

Наука підійшла до межі століть із парадоксальною ситуацією. З одного боку, було відкрито суворі кількісні закони (збереження маси, сталості складу, еквівалентів), які вимагали атомістичного пояснення. З іншого боку, єдиної теорії, що зв’язала б ці закони з конкретними фізичними атомами, ще не існувало. Спроба Гіггінсів не мала успіху й мала ще багато вад, які не дозволяли зробити її практично придатною в науці. Усі ці розрізнені елементи чекали на генія, який об’єднає їх у систему. Цим генієм 1803 року стане Джон Дальтон.

Атомізм набуває ваги й міжнародної мови

На самому початку XIX століття відбувається подія, що пов’яже атомізм із цілком новою силою — електрикою. Алессандро Вольта винаходить перше хімічне джерело струму («вольтів стовп»). Ба більше, це джерело мало властивості сталості, стійкості, можливості регулювати силу напруги. Це одразу ж дало хімікам новий метод розкладання речовини. Практично миттєво, у травні того самого 1800 року, англійські вчені Вільям Ніколсон і Ентоні Карлайл збирають апарат за кресленнями Вольти й уперше здійснюють електроліз води. Вони виявляють, що під дією струму вода розкладається на два гази — водень і кисень, причому об’єм виділеного водню завжди рівно вдвічі перевищує об’єм кисню. Це стало важливим натяком на те, що атоми в сполуках утримуються силами електричної природи, а самі сполуки мають суворо дискретну, «штучну» структуру. Невдовзі цей новий інструмент дасть змогу розщеплювати й безліч інших елементів, що приведе до численних відкриттів нових матеріалів. Трохи пізніше, у 1801-1802 рр. Джон Дальтон (1766-1844) активно досліджує фізичні властивості газів. Намагаючись зрозуміти, чому гази в атмосфері (азот, кисень, вуглекислий газ) перемішуються рівномірно, а не розшаровуються за густиною, як це роблять рідини, він доходить до своєї механічної моделі. Частинки одного газу відштовхують лише собі подібні частинки, але «не помічають» частинок інших газів. Дальтон формулює закон парціальних тисків (закон Дальтона), згідно з яким тиск суміші газів дорівнює сумі тисків кожного газу окремо, за тих самих об’ємів і тієї самої температури. У 1802 році Дальтон і незалежно від нього Жозеф Луї Гей-Люссак відкривають закон теплового розширення газів, згідно з яким усі гази розширюються однаково за однакового нагрівання на один градус. Ці суто фізичні дослідження змусили Дальтона поставити собі запитання: якщо гази поводяться так подібно, то чим же відрізняються їхні частинки? І тут він доходить висновку, що їхня головна відмінність — це маса й розмір.

Після цього Дальтон переносить свої фізичні здогади на хімічні реакції й формулює закон, який остаточно доводить існування атомів — закон кратних відношень. Якщо два елементи утворюють один з одним кілька хімічних сполук, то маси одного з елементів, що припадають на ту саму масу іншого елемента, відносяться як невеликі цілі числа. Приклад Дальтона: вивчаючи оксиди азоту, він помічає, що на одну й ту саму масу азоту в різних оксидах припадає строго пропорційна кількість кисню (у співвідношенні 1:2:4). Це неможливо пояснити безперервною будовою матерії — лише тим, що до одного атома азоту приєднується один, два або чотири цілі атоми кисню. І вже 21 жовтня 1803 року на засіданні Манчестерського літературно-філософського товариства Дальтон зачитує доповідь, до якої додає першу в історії таблицю відносних атомних ваг (що включала 6 елементів і 15 сполук). За одиницю й еталон Дальтон узяв масу найлегшого атома — водню. У цій системі ще повно помилок, але це все одно вихід теорії на зовсім інший рівень. Без прийняття атомізму стає важко зрозуміти, чому саме з різних пропорцій вихідних елементів утворюються різні кінцеві речовини. І якраз на той час майбутні атомісти Берцеліус і Вільгельм Гізінгер публікують дослідження (1803) про дію вольтівого стовпа на солі та деякі основи, а Клод Луї Бертолле видає «Essai de statique chimique» (1803), що й досі сповнена духом полеміки з Прустом і проти ідей про дискретність.

Це один із головних контекстів, без якого важко зрозуміти силу Дальтона і Пруста. Бертолле не був просто відсталим противником нової хімії. Він намагався мислити хімічну дію динамічно: через масу діючих речовин, спорідненість, умови реакції, розчинність, надлишок однієї речовини над іншою. Тому він опирався ідеї, що хімічні сполуки завжди мають суворо сталий склад. До того ж, він був чи не головним спадкоємцем Лавуазьє, найбільшим хіміком у світі, другом знаменитого Лапласа. Але навіть попри свій колосальний науковий авторитет, Бертолле програв системі Дальтона-Пруста. Події розгортаються дедалі стрімкіше. У 1804 році шотландський хімік Томас Томсон (1773-1852) відвідує Дальтона в Манчестері. Ознайомившись із його лабораторними журналами та ідеями про атомні ваги, Томсон миттєво усвідомлює масштаб відкриття й стає головним популяризатором дальтонівського атомізму в академічному середовищі. У пресі нарешті виходить стаття Дальтона «Про поглинання газів водою та іншими рідинами» (1805). Світова наукова громадськість уперше отримує доступ до друкованої таблиці атомних ваг. Починаються бурхливі дискусії. До речі, головні помилки Дальтона не були випадковими; вони випливали з його фундаментального теоретичного припущення, що увійшло в історію як «правило найбільшої простоти». Оскільки Дальтон не знав реальної кількості атомів у молекулі, він постулював, що якщо два елементи утворюють лише одну відому сполуку, то ця сполука обов’язково є бінарною, тобто складається з одного атома кожного виду. Вода була єдиною надійно вивченою сполукою водню й кисню, тому Дальтон вирішив, що її формула — HO (а не H₂O). Водночас у 1805 році Александр фон Гумбольдт (1769-1859) і Гей-Люссак (1778-1850) уточнюють об’ємний склад води: водень і кисень сполучаються приблизно у співвідношенні 2:1 за об’ємом. Пізніші джерела зазначають, що Гумбольдт і Гей-Люссак у 1805 році встановили саме цю пропорцію, а вже в 1808 році Гей-Люссак поширить подібні спостереження на загальний закон об’ємних відношень газів. Але для атомізму тут виникає напруження. Дальтон будує атомні ваги передусім за ваговими відношеннями й правилом простоти. Гей-Люссак рухається до об’ємних відношень. Пізніше це зіткне дальтонівський атомізм з об’ємною хімією газів, і лише тоді Авогадро спробує розв’язати проблему через розрізнення атома й молекули. Але в 1805 році це ще тільки намічається.

Поки Дальтон розвиває хімічний атомізм, у Лондоні молодий професор Королівського інституту Гемфрі Дейві (1778-1829) розвиває його фізичний бік. У своїй знаменитій Бейкерівській лекції 1806 року він доводить, що хімічна спорідненість елементів (те, що змушує атоми поєднуватися, своєрідна вибіркова гравітація, модне пояснення, яке любили ідеалісти в хімії) — це не просто механічні «гачки», а електричне притягання частинок із протилежними зарядами. Так Дейві закладає підвалини електрохімічного атомізму. У найближчі роки Дейві стане одним із головних ворогів Дальтона. Він використовуватиме всі можливі засоби й спробує спершу оскаржити пріоритет Дальтона у відкриттях, згадавши про родину Гіггінсів, а потім і зовсім підтримає думку, що атомістичні уявлення про структуру матерії не є необхідними й приймаються лише як зручна модель для розрахунків. Але це також буде розвинено пізніше. 

Оскільки сам Дальтон не поспішав випускати свою велику книгу, перший докладний і систематичний виклад атомної теорії з’являється в третьому виданні підручника Томаса Томсона «Система хімії» (System of Chemistry, 1807). Саме з цієї книги про атомізм Дальтона дізнається більшість європейських учених, зокрема Йєнс Якоб Берцеліус. Тоді ж, у жовтні 1807 року, Гемфрі Дейві здійснює історичний експеримент. Пропускаючи потужний струм через зволожені тверді луги (їдкий калій і їдкий натрій), які до того вважалися неподільними елементами, він уперше ізолює два нові метали — калій і натрій. Це знову розсунуло межі подільності речовини й додало трохи більшої переконливості теоретикам атомізму. Отже, на цей момент атомізм уже цілком озброївся. Науковці отримали: (1) математичний критерій атомарності під виглядом закону кратних відношень; (2) першу систему відносних ваг, прив’язану до водню; (3) розуміння того, що атоми утримуються разом електричними силами.

1808 рік можна вважати офіційним днем народження хімічного атомізму як цілісної концепції. Виходить перша частина першого тому фундаментальної праці Джона Дальтона «Нова система хімічної філософії» (A New System of Chemical Philosophy). У ній він докладно викладає постулати своєї теорії: неподільність атомів, їхню якісну тотожність для одного елемента та відмінність мас для різних елементів. Замість літер Дальтон використовує геометричні знаки (кружки з крапками, рисками), щоб наочно показувати, як атоми зчіплюються в «складні атоми», тобто в молекули, хоча самого цього слова не вживає. Того ж року французький фізик Гей-Люссак формулює закон, за яким під час хімічних реакцій гази поєднуються між собою в простих об’ємних відношеннях. Наприклад, 2 об’єми водню (2H₂) з’єднуються з 1 об’ємом кисню (O₂), утворюючи 2 об’єми водяної пари (2H₂O). І здавалося б, відкриття Гей-Люссака блискуче підтверджує атомізм. Але Дальтон категорично відкидає цей закон! Прості об’ємні відношення добре відповідали духові дальтонівської теорії, бо знову показували числовий порядок у хімічному поєднанні. Але вони погано узгоджувалися з дальтонівським правилом простоти та його небажанням визнавати, що молекули простих газів можуть складатися з двох або кількох однакових атомів. Якщо два об’єми водню з’єднуються з одним об’ємом кисню й дають воду, то без розрізнення атомів і молекул — формула води, відносна вага кисню та саме розуміння газової реакції виявляються заплутаними. У 1809 році Гей-Люссак офіційно публікує свої мемуари про об’ємні відношення газів, закріплюючи експериментальний пріоритет французької школи фізико-хіміків, а невдовзі виходить друга частина першого тому «Нової системи» (1810) Дальтона, де він і далі розвиває свою систему, ігноруючи критику. Приблизно тоді ж Гемфрі Дейві доводить, що «окислена соляна кислота» насправді є простим хімічним елементом, який не містить кисню. Він називає його хлором. Це завдає нищівного удару теорії Лавуазьє, який вважав кисень обов’язковим «батьком» усіх кислот, і змушує атомістів переглядати формули величезного класу сполук.

Геніальний вихід із глухого кута, в якому опинилися Дальтон і Гей-Люссак, знаходить італійський фізик Амедео Авогадро (1776-1856). У своїй статті в «Journal de Physique» (1811) він висуває сміливу гіпотезу: в рівних об’ємах будь-яких газів за однакових температури й тиску міститься однакова кількість частинок. Головна новизна Авогадро в тому, що він запроваджує чітке розрізнення між «елементарними частинками» (атомами) і «складеними частинками» (молекулами). На відміну від нього, за Дальтоном молекули не були чимось особливим, вони теж були атомами, тобто найдрібнішою частинкою речовини, після поділу якої речовина втрачає свої властивості й зникає. Щоправда, і сам Авогадро, подібно до Дальтона, теж уживає лише один термін, але вже не атоми, а молекули, поділяючи їх на різні типи:

• Molécule élémentaire (елементарна молекула) — те, що ми нині називаємо атомом хімічного елемента.
• Molécule constituante (складова молекула) — молекула простого газу (наприклад, O₂).
• Molécule integrante (інтегральна молекула) — молекула складної речовини (наприклад, H₂O).

Остаточно сучасна термінологія буде прийнята лише до 1860 року. Але навіть за збереження значної плутанини у визначеннях тепер виходило, що гази не обов’язково складаються з одиночних атомів. Водень, кисень, азот — це двоатомні молекули (H₂, O₂, N₂). Два об’єми водню й один об’єм кисню дають саме два об’єми пари, оскільки загальна кількість молекул зменшується пропорційно, а не порушує закони простору. Так би й було, якби хіміки прийняли теорії Авогадро відразу після їх появи, але, як ми побачимо трохи далі, тут сталася значна затримка.

У 1812 році хіміки дедалі впевненіше говорять про елементи, атоми, ваги й пропорції. З іншого боку, вони ще не знають, чи є множина елементів остаточною. У 1812 році Дейві публікує «Elements of Chemical Philosophy» і припускає, що деякі «нерозкладені речовини» можуть бути різними формами однієї матерії або в майбутньому зведені до меншої кількості елементів. Ця лінія згодом перейде до Праута, про що буде сказано трохи далі. Це був черговий підкоп Дейві під класичний атомізм у дусі Дальтона. Того ж року вже згадуваний нами вище шведський хімік Йонс Якоб Берцеліус (1779-1848) стає головною постаттю світової хімії. Він бере на себе завдання навести ідеальний лад в атомних вагах і формулює теорію електрохімічного дуалізму, яку до нього вже розробляв Дейві. Берцеліус стверджує, що кожен атом має два електричні полюси, але один із них завжди домінує. Кисень — це найелектронегативніший елемент, калій — найелектропозитивніший. Хімічна реакція постає як нейтралізація протилежних зарядів. Ця модель на десятиліття стане головним поясненням того, чому атоми взагалі утримуються разом. Ще через рік, тобто 1813 року, Берцеліус здійснює мовну революцію в науці. Він пропонує відмовитися від незручних геометричних рисунків Дальтона й запроваджує сучасні хімічні символи — перші літери латинських назв елементів (H, O, C, N, Fe тощо). Кількість атомів у сполуці він спочатку позначав надрядковими індексами, які згодом перетворилися на звичні для нас підрядкові. Хімія нарешті отримала міжнародний алфавіт. Хоча, справедливості ради, подібні спроби робив навіть попередник Дальтона у створенні нового атомізму — Хіггінс, а спосіб зображення в дусі Дальтона ще багато десятиліть траплявся в працях різних хіміків.

На жаль, ідеї Авогадро було проігноровано майже на цілих 50 років. Сучасники (зокрема Дальтон і Берцеліус) проігнорували його, вважаючи його ідеї надто умоглядними. Дивовижним чином Дальтон і Берцеліус дійшли подібного висновку з двох цілком різних передумов. У Дальтона була залізна фізична причина, заснована на передовій науці його часу — теорії теплороду. Як і майже всі вчені того часу, Дальтон вважав, що кожен атом оточений масивною «атмосферою» теплороду (калорика). Саме існування газоподібного стану пояснювалося тим, що ці теплові атмосфери відштовхуються одна від одної. Для Дальтона думка про те, що два однакові атоми (наприклад, два атоми кисню) можуть з’єднатися в одну молекулу (O₂), була фізично абсурдною. Як вони можуть злитися, якщо їхні теплові оболонки зобов’язані відштовхуватися з жахливою силою? Саме віра в матеріальний теплород змусила Дальтона захищати своє «правило простоти» й оголосити закон Гей-Люссака емпіричною помилкою, а разом із тим і відмовитися від ідей Авогадро. Але справжнім «могильником» гіпотези Авогадро став не хто інший, як Берцеліус і його теорія електрохімічного дуалізму. Берцеліус стверджував, що атоми з’єднуються, бо один заряджений позитивно, а інший негативно (як магніти). Із цього прямо випливало, що два однакові атоми не можуть з’єднатися один з одним. Кисень негативний. Якщо два атоми кисню зустрінуться, вони відштовхнуться. Молекула O₂ неможлива. Оскільки Берцеліус був незаперечним патріархом хімії, його електрохімічна модель повністю заблокувала логіку Авогадро. Вчені просто не розуміли, яка сила може утримати разом два однаково заряджені атоми в молекулі водню або азоту. Потрібні були пів століття й народження органічної хімії, щоб зрозуміти, що зв’язок може бути не лише йонним (електростатичним).

Перший кризис атомістики

Може, це тепер уже не так очевидно, але нововведення Берцеліуса, попри свою зручність, мало один серйозний недолік. Хотів він цього чи ні, але таким чином він робив атоми більш абстрактними, позбавляв їх геометричної тілесності й цим грав на руку анти-матеріалістичній інтерпретації атомізму. Не варто помилятися щодо того, що атомізм тріумфально переміг у 1808-14 роках. Бертолле був не єдиним ворогом дискретних уявлень, і надто багатьом кинулося в очі, що цей новий атомізм грає на руку епікурейцям і матеріалістам. Потрібно було щось робити, аби не зберігати такої лазівки для відновлення безбожних теорій. І спроби робляться. Перший удар завдала фізика, саме там, де можна було очікувати найнебезпечніших форм атомізму. Історично класичний атомізм Нового часу (від Ньютона до Дальтона) завжди йшов пліч-о-пліч із корпускулярною теорією світла. Вважалося, що світло — це потік матеріальних частинок, що летять, — корпускул. Але в 1810-1820-х роках цей фундамент було повністю зруйновано хвильовою революцією, яку очолили Томас Юнг (1773-1829), Домінік Франсуа Араго (1786-1853) і, головним чином, Огюстен Жан Френель (1788-1827). Чи варто говорити, що той самий Араго був товаришем Бертолле й Гумбольдта та явно був невдоволений атомізмом, який завдяки своїй дискретності руйнував поетично привабливі уявлення про єдність природи в дусі романтичного пантеїзму.

Френель математично бездоганно довів, що явища інтерференції та дифракції світла неможливо пояснити польотом корпускул. Світло поводиться як поперечна хвиля. Але хвиля не може поширюватися в абсолютній порожнечі (вакуумі) епікурейців і дальтоністів. Хвилі фізично необхідне середовище, матеріальний носій коливань. Так у науку повернувся Світлоносний Ефір — гігантський, всепроникний, безперервний космічний океан. Причому, оскільки світлові хвилі виявилися поперечними, Ефір мав би володіти властивостями не газу чи рідини, а абсолютно твердого, пружного тіла (на кшталт безконечного космічного желе), що не має всередині себе жодних порожнин. Наочним символом поразки корпускулярної теорії стала знаменита «пляма Пуассона» (1818). Сімеон Дені Пуассон (1781-1840), намагаючись висміяти хвильову теорію Френеля, математично вивів із неї абсурдний наслідок: якщо спрямувати світло на круглий непрозорий екран, то в самому центрі його тіні на стіні має виникнути яскрава світла цяточка. Араго негайно провів експеримент і виявив цю яскраву пляму саме там, де її передбачила математика Френеля. Континуалізм святкував перемогу, а для фізичного атомізму це була катастрофа. Навіть такі стійкі борці за механістичну картину світу, як Лаплас, який до останнього захищав атомізм, у 20-х роках XIX століття визнав поразку. Деякі його учні й далі намагалися пояснювати хвильову природу через корпускулярні теорії, але, як правило, у них нічого не виходило. Виникало глибоке протиріччя. Якщо весь простір Всесвіту щільно заповнений безперервною, твердою, пружною субстанцією Ефіру, то як крізь неї можуть летіти тверді кульки Дальтона, не зазнаючи ані найменшого тертя? Чому планети не гальмують на своїх орбітах? Відповідь хвильової фізики першої половини століття: дискретні механічні атоми — це надмірна фантазія, а світ континуальний.

І поки фізики вибудовували безперервний ефір, хіміки виявили, що дальтонівські атоми абсолютно безпорадні для повсякденної лабораторної роботи. Уже 1814 року Вільям Гайд Волластон (1766-1828) запропонував альтернативу, яка на сорок років загальмувала розвиток атомістики в Європі, — теорію хімічних «еквівалентів». Волластон заявив, що ми не можемо побачити атоми, не знаємо їхньої форми й приречені вічно сперечатися про те, чи складається вода з HO, H₂O або HO₂. Усе, що ми реально маємо на вагах, — це пропорції витіснення. Тож навіщо взагалі будувати метафізичні гіпотези, якщо можна ввести поняття еквівалента — маси елемента, яка сполучається з однією умовною ваговою частиною еталона (наприклад, кисню або водню). Волластон заявляє:

«Нам не потрібно вірити у фізичні атоми Дальтона, нам досить користуватися ваговими еквівалентами».

Це поклало початок потужному розколу XIX століття на фізичних атомістів і хімічних еквівалентистів. Цю лінію люто підтримав Гемфрі Дейві, який стверджував, що дальтонівські кульки лише плутають студентів, а хімія має залишатися суворою операціональною наукою, що фіксує тільки факти. Найпотужнішого удару по атомах невдовзі після цього завдав німець Леопольд Гмелін (1788-1853), який поклав систему еквівалентів в основу свого монументального, багатотомного «Handbuch der Chemie» (1817). Усе це відбувається паралельно з атаками на хвильову теорію. Гмелін установив еквівалентні ваги:

• Водень (H) = 1
• Кисень (O) = 8
• Вуглець (C) = 6

У системі Гмеліна формула води записувалася як HO, а вуглекислого газу — CO₂ (але з вагою вуглецю, що дорівнює 6). Ця система була настільки зручною для практичних розрахунків на вагах і в комерційній фармації, що німецькі та британські університети аж до 1850-х років офіційно забороняли використовувати в підручниках дальтонівські атомні ваги (O=16, C=12). Атомізм було вигнано в сіру зону напівлегальних гіпотез. А невдовзі після цих двох найпотужніших ударів емпіричний скепсис учених дістав потужне філософське обґрунтування в особі творця позитивізму Оґюста Конта (1798-1857). У своєму фундаментальному курсі позитивної філософії (1826-30) Конт сформулював жорсткий критерій науковості. Справжня «позитивна» наука має повністю відмовитися від метафізичних питань про приховані «сутності» та «першопричини» речей. З погляду позитивізму, дальтонівські атоми були типовим пережитком донаукової, метафізичної стадії мислення, спробою пояснити спостережуваний світ за допомогою невидимих, недоведених привидів. Конт стверджував, що наука має лише фіксувати математичні закони відношень між феноменами (явищами). Закони сталості складу Пруста й еквівалентів Ріхтера — це позитивне знання. А міркування про те, що за цими законами стоять неподільні тілесні сфери, — це ненаукова міфологія. Під впливом Конта у Франції сформувалася ціла школа блискучих хіміків-антиатомістів, які вважали віру в атоми ознакою інтелектуальної відсталості.

Приблизно тоді ж, коли на сцені з’являється теорія еквівалентів (1814), Берцеліус публікує таблицю атомних мас для 41 елемента — своєрідний прообраз майбутньої таблиці Менделєєва. На відміну від Дальтона, який узяв за одиницю водень (H = 1), Берцеліус бере за основу кисень (O = 100). Завдяки фантастичній точності своїх аналізів він виправляє грубі помилки Дальтона (наприклад, у Дальтона атомна маса кисню дорівнювала 7 замість 16 через хибну формулу води як HO). У 1814 році з’являється і другий варіант авогадрівської лінії — лист Ампера до Бертолле про пропорції, в яких тіла сполучаються згідно з числом і розташуванням молекул. Ампер заново формулює гіпотезу Авогадро про однакове число молекул в однакових об’ємах газів і намагається доповнити її молекулярною моделлю сполук. Але ідея Авогадро-Ампера в 1814 році знову залишається майже непоміченою. У 1815 році з’являється перша мрія про складну структуру атома. Англійський лікар і хімік Вільям Праут (1785-1850) анонімно публікує статтю, в якій аналізує відомі на той момент атомні маси. Він зауважує, що якщо за одиницю взяти масу атома водню, то атомні маси всіх інших елементів із разючою точністю виявляються цілими числами (наприклад, вуглець — 12, азот — 14, кисень — 16). Із цього Праут робить фундаментальний висновок, що всі хімічні елементи насправді не є абсолютно неподільними. Вони являють собою конденсації одного-єдиного первинного речовини — водню, який він назвав протилом. Хоча Берцеліус різко розкритикував Праута за підгонку даних, адже в деяких елементів, як-от хлору, маса виходила дробовою — 35.5, ця гіпотеза передбачила відкриття протона й ізотопів у XX столітті та не давала спокою фізикам і хімікам упродовж усього дев’ятнадцятого століття.

Отже, до 1815 року атомістична теорія повністю перемогла на практиці: хіміки пишуть формули літерами Берцеліуса й обчислюють пропорції за таблицями атомних мас. Однак у теорії намітився глибокий розкол: фізики й радикальні хіміки вірять у реальні неподільні сфери Дальтона; позитивісти (школа Волластона) вимагають вважати атоми лише зручною математичною фікцією та використовувати «еквіваленти»; а ідеї Авогадро, здатні примирити фізику газів і хімію елементів, залишаються незатребуваними.

Просторова архітектура і криза електрохімії

Тим часом у світі відбуваються й інші значні зміни, що грають на руку ворогам матеріалістичних теорій. Остаточно руйнується імперія Наполеона, політично Європа занурюється в період реакції, а в культурі зростає вплив романтизму, спіритуалізму та релігії. У 1816 році французький фізик Андре-Марі Ампер (1775-1836) публікує працю, в якій ще далі розвиває ідеї Авогадро. Він робить спробу зазирнути всередину молекули з погляду геометрії. Він намагався поєднати гіпотезу Авогадро з кристалографічними ідеями Гаюї. Тепер Ампер припускає, що молекули газів складаються з окремих атомів, які утримуються разом у вершинах правильних геометричних багатогранників (тетраедрів, октаедрів і кубів). На думку Ампера, форма цих невидимих багатогранників безпосередньо визначає, у яку кристалічну ґратку сполука випаде в осад. Це була одна з перших в історії науки спроб пов’язати атомізм зі структурною геометрією матерії. Також варто зазначити, що Ампер був одним із пізніх ідеологів (радикальні сенсуалісти), який із часом схилився до ідеалізму під впливом релігії та німецької філософії, а наприкінці життя, ще до Огюста Конта, спробував створити власну філософію науки, з намаганням вибудувати наукові галузі за ієрархічним принципом. Через рік після цього німецький хімік Іоганн Вольфганг Деберейнер (1780-1849) робить емпіричне відкриття, яке через пів століття приведе до створення Періодичного закону. Він зауважує, що якщо взяти три хімічно подібні елементи — кальцій, стронцій і барій — то атомна маса середнього (стронцію) дивовижно точно дорівнює середньому арифметичному мас двох крайніх. Трохи згодом він виявляє таку саму закономірність для тріад «сірчаних» (сірка, селен, телур) і «солеродних» (хлор, бром, йод) елементів. До Деберейнера атомні маси Дальтона й Берцеліуса здавалися хаотичним набором випадкових чисел. «Тріади» вперше натякнули, що між масою атома та його хімічним характером існує глибокий, строгий математичний взаємозв’язок.

1818 рік стає емпіричним тріумфом Берцеліуса. Він публікує оновлену, колосальну за масштабом таблицю атомних ваг, розраховану за його «кисневою» шкалою (O = 100). Вона містила дані для 45 елементів і формули понад 2000 сполук. Щоб збагнути титанічний масштаб цієї праці, уявіть, що Берцеліус особисто, вручну спроєктував і провів тисячі найскладніших хімічних аналізів, створюючи нові типи лабораторного посуду та методів очищення речовин. Його точність була феноменальною. Визначена ним атомна вага кремнію, наприклад, відрізнялася від сучасної менш ніж на 0.5%. Відтепер науковий світ отримав найнадійніший фундамент для розрахунків. Але наступний рік принесе один із найбільших проривів десятиліття завдяки двом фундаментальним відкриттям. Французькі фізики П’єр Луї Дюлонг (1785-1838) і Алексіс Тереза Пті (1791-1820) виявляють разючу закономірність під час дослідження теплоємності твердих тіл, переважно металів. Добуток питомої теплоємності елемента на його атомну вагу виявився величиною практично сталою для всіх досліджених зразків: с ∙ M ≈ 6.4 кал/(моль ∙ ℃). Це означало, що теплоємність одного ізольованого атома однакова для всіх елементів. Нагрівання шматка свинцю і шматка заліза потребує різної енергії лише тому, що в одному грамі свинцю атомів менше, ніж у грамі заліза. Хіміки нарешті отримали незалежний фізичний метод верифікації атомних мас. Якщо вагові аналізи залишали сумніви (наприклад, незрозуміло було, якою є формула оксиду (MeO чи Me₂O₃)), закон Дюлонга-Пті однозначно вказував на справжню атомну вагу металу. Паралельно з ними молодий німецький хімік Айльгард Мітчерліх (1794-1863) раптом виявляє, що сполуки з цілком різною хімічною природою, але з однаковою кількістю атомів у молекулі, кристалізуються в абсолютно ідентичних геометричних формах. Класичним прикладом стали солі фосфорної та миш’якової кислот. Берцеліус миттєво оцінив масштаб відкриття і назвав це явище ізоморфізмом (рівноформ’ям). Він одразу ж застосував його для визначення атомного складу: якщо структура кристала невідомої речовини збігається зі структурою відомої, отже, їхні атомні формули аналогічні за своєю архітектурою. Без цих двох відкриттів колосальна таблиця Берцеліуса 1826 року (яка стане розвитком таблиці 1818 року) не була б такою точною й авторитетною, а спроби обчислювати вагу атомів були б надто умоглядними й уразливими для критики.

У 1820 році відбувається спроба кінетичного прориву, перша від часів спроб Бернуллі 1738 року. Англійський фізик-самоучка Джон Герапат (1790-1868) надсилає до Лондонського королівського товариства працю, в якій намагається відродити кінетичну теорію газів. Він математично описує теплоту як результат руху й зіткнення атомів. Однак президент товариства Гемфрі Дейві жорстко відхиляє статтю, вважаючи її спекулятивною, оскільки на той час у фізиці безроздільно домінувала теорія «теплороду» — невагомого флюїду, що огортає атоми, та й тому, що, як уже зазначалося вище, Дейві був еквівалентистом і боровся проти атомізму. Щоправда, в розрахунках Герапата були й математичні помилки, які тим більше полегшили відмову. Отже, фізичний атомізм газів було заблоковано ще на три десятиліття. Продовжуючи свої дослідження, у 1821 році Мітчерліх відкриває явище диморфізму, здатність однієї й тієї самої речовини зі незмінним атомним складом (наприклад, кристалічної сірки) кристалізуватися у двох цілком різних геометричних формах залежно від температури. Це стало остаточним доказом того, що фізичні властивості макротіл залежать не лише від маси й типу атомів, які входять до їхнього складу, а й від просторового розташування частинок одна відносно одної. Один і той самий набір атомів, упакований інакше, дає принципово іншу речовину.

Після відкриттів Дальтона, Гей-Люссака, Авогадро, Берцеліуса, Дюлонга-Пті та Мітчерліха хіміки отримали кілька різних способів говорити про будову речовини: атомні ваги, еквіваленти, об’ємні відношення газів, теплоємності, ізоморфізм, кристалічні форми, електрохімічний дуалізм. Хоча, звісно, під впливом еквівалентизму й позитивізму все це подається як зручні формули, що не мають жодних претензій на розуміння реальної будови речовини. У 1823 році великий англійський фізик Майкл Фарадей (1791-1867) проводить серію історичних експериментів зі зрідження газів (хлору, вуглекислого газу, аміаку), поєднуючи високий тиск і охолодження. До того вважалося, що гази («постійні гази», такі як кисень або азот) принципово не конденсуються. Модель Дальтона припускала, що атоми газів оточені величезними пружними оболонками з невагомого флюїду — теплороду, які відштовхують атоми один від одного. Успіх Фарадея довів, що при зближенні атомів між ними починають діяти потужні сили взаємного притягання (когезії). Це завдало сильного удару по теорії теплороду й наблизило вчених до кінетичного розуміння газів. Але одразу зауважимо, що Майкл Фарадей не був класичним атомістом. Він критикував традиційні уявлення про неподільні «тверді» атоми й заперечував існування порожнечі. Замість матеріальних частинок Фарадей поділяв концепцію точкових центрів сил (відому як атомізм Бошковича), а згодом став одним із засновників теорії поля. 

У 1824–25 роках розгортається один із найтрагічніших сюжетів в історії хімії, який привів до тісної співпраці двох німецьких геніїв: Юстуса фон Лібіха (1803–1873) і Фрідріха Вьолера (1800–1882). Молодий Лібіх, працюючи в Парижі в Гей-Люссака, досліджує солі вибухової гримучої кислоти (фульмінати) й визначає склад гримучого срібла. Водночас у Стокгольмі в Берцеліуса молодий Вьолер досліджує солі мирної ціанової кислоти й визначає склад ціанату срібла. Коли Берцеліус зіставив їхні дані, з’ясувалося, що обидві речовини мають абсолютно ідентичний елементний склад: на один атом срібла припадає по одному атому вуглецю, азоту й кисню (AgCNO). При цьому гримуче срібло вибухає від найменшого дотику, а ціанат срібла стабільний і має зовсім інші хімічні властивості. До 1824 року ще панувала догма Дальтона, що властивості речовини визначаються виключно тим, які атоми і в якій кількості до неї входять. Відкриття Лібіха і Вьолера довело, що властивості речовини кардинально залежать від просторового розташування та порядку зчеплення атомів. Атомізм уперше став якісним, архітектурним. Сам термін «ізомерія» для цього явища Берцеліус уведе трохи пізніше, у 1830 році.

Наступний удар по атомізму завдає його ж захисник. Наприкінці 1820-х років молодий і амбітний французький хімік Жан-Батист Дюма (1800–1884) вирішив урятувати атомізм. Він розробив витончений метод визначення атомних ваг за густиною парів. Логіка була простою: якщо, згідно з гіпотезою Авогадро, в рівних об’ємах газів міститься однакова кількість частинок, то, зважуючи гази, ми дізнаємося справжні ваги їхніх атомів. У найпростіших випадках із газами все виходило майже ідеально. Але природа влаштувала Дюма жорстоку пастку. Коли він виміряв густину парів фосфору, сірки, миш’яку й ртуті за високих температур, результати виявилися катастрофічними: атомна вага фосфору виявилася вдвічі більшою, ніж очікувалося. Сірка показала потроєне значення. Ртуть, навпаки, дала результат удвічі менший за «норму». Дюма не знав, що молекули сірки в парах складаються з 6 або 8 атомів (S₆, S₈), а фосфору — з чотирьох (P₄), і тому він дійшов висновку, що сама атомна гіпотеза глибоко хибна. Атоми, які мали бути неподільними, в його дослідах ніби дробилися або злипалися самі собою. Це привело Дюма до повного розчарування, він капітулював і цілком перейшов на позиції теорії еквівалентів, завдавши атомізму найтяжчого удару зсередини самого хімічного середовища. Ця криза змусила багатьох хіміків тимчасово відвернутися від атомізму назад до прагматичних «еквівалентів» Волластона, а через 10 років Дюма навіть напише:

«Якби це було в моїй владі, я б стер слово «атом» із науки, переконаний, що воно виходить далеко за межі досвіду, а в хімії ми ніколи не повинні йти далі досвіду». 

Приблизно тоді ж, у 1827 році, шотландський ботанік Роберт Браун (1773–1858) досліджує під мікроскопом пилок рослини Clarkia pulchella, зважений у воді. На своє здивування, він виявляє, що найдрібніші крупинки пилку здійснюють безперервний, цілком хаотичний зигзагоподібний рух. Щоб виключити біологічний чинник, Браун проводить експерименти з розтовченими на порох мінералами, склом, вугіллям і навіть шматком граніту з єгипетського сфінкса. Рух повторювався всюди. У 1827 році ніхто (включно із самим Брауном) не зміг дати цьому феноменові адекватного фізичного пояснення. Лише наприкінці століття стане ясно, що Браун став першою людиною, яка «побачила» наслідок існування молекул. Крупинки пилку рухалися тому, що зазнавали незбалансованих теплових ударів з боку невидимих, дискретних молекул води. Це явище назвуть броунівським рухом. Того ж року виходить третя й остання частина фундаментальної праці Дальтона — «Нова система хімічної філософії» (1808–1827). Ціла епоха в історії атомізму завершується.

Набагато вагомішим для атомізму стає 1828 рік. Фрідріх Вьолер здійснює епохальний експеримент. Намагаючись отримати в лабораторії неорганічну сіль — ціанат амонію (NH₄CNO), він випаровує його розчин і виявляє, що речовина перегрупувалася (ізомеризувалася) в білі кристали сечовини (CO(NH₂)₂). Сечовина — типовий продукт тваринного метаболізму. До 1828 року прихильники теорії віталізму стверджували, що органічні речовини неможливо синтезувати в пробірці, бо для їхнього створення потрібна містична «життєва сила» (vis vitalis), притаманна лише живим організмам. Вьолер довів, що між органічною та неорганічною матерією немає прірви. Органічні молекули — це такі самі конгломерати атомів, що підкоряються тим самим законам механіки, валентності та вагових відношень, що й мінерали. Атомістична теорія дістала мандат на повну колонізацію органічної хімії. Але, як і в інших подібних випадках, перша публікація нового явища ще не відразу зруйнувала всю систему віталізму, і знадобиться ще близько 20 років, щоб удосконалені експерименти завдали нищівного удару, для якого Вьолер лише підготував ґрунт і, так би мовити, пробив першу проломину в фортеці ворога.

І ось тепер Берцеліус, озброївшись відкриттями Дюлонга, Пті та Мічерліха, публікує підсумкову, неймовірно вивірену таблицю атомних ваг, засновану на багаторічних перехресних перевірках законів стехіометрії, ізоморфізму та теплоємності. У цій таблиці формули більшості найважливіших оксидів і солей набули свого остаточного, сучасного вигляду. Отже, до цього моменту стало очевидним, що:

• Дві речовини можуть складатися з одних і тих самих атомів, але відрізнятися їхнім геометричним розташуванням (ізомерія).
• Атоми в органічних сполуках поводяться за тими самими законами, що й у неорганічних.
• Фізика підійшла до порога кінетичної теорії (скраплення газів, фіксація броунівського руху), але поки що не має математичного апарату, щоб пов’язати рух атомів із макровластивостями тіл.

Період із 1829 по 1837 рік увійшов в історію науки як час жорсткого зіткнення між емпіричною практикою та фундаментальною теорією. З одного боку, хіміки навчилися з філігранною точністю підраховувати атомний склад найскладніших органічних молекул. З іншого боку, провідні уми епохи почали сумніватися у фізичній реальності атомів Дальтона, оскільки механізми їхнього зчеплення залишалися загадкою, а провідна електрохімічна теорія того часу зайшла в глухий кут. Цей період примітний тим, що атомізм дістав найпотужнішу кількісну підтримку з боку фізики електрики. У 1829 році Деберейнер офіційно публікує свою працю «Спроба групування елементарних речовин на основі їхньої аналогії». Це зафіксувало перший серйозний крок до пошуку закономірностей серед атомних ваг. Ідея про те, що маса атома визначає його хімічну «поведінку», перестала бути випадковою здогадкою й набула математичного підтвердження у вигляді тріад (наприклад, літій — натрій — калій). Через рік після цього Берцеліус, аналізуючи накопичені дані, зокрема праці Лібіха й Вьолера, офіційно вводить у науку термін ізомерія (від грецького «рівна частка»). Він концептуально розділяє явища, коли речовини мають однаковий склад, але різні властивості. Виокремлює власне ізомерію (різна структура за однакової ваги) і полімерію (однакове співвідношення атомів, але різна загальна маса молекули, наприклад, етилен і бутилен). І тепер поняття «структури» конгломерату атомів остаточно узаконено на найвищому академічному рівні.

До 1829 року належить і рання праця Томаса Грема (1805-1869) про дифузію газів. Пізніше з цієї лінії постане закон Грема (1831), що пов’язує швидкість дифузії з густиною газу. Це була фізична гілка, споріднена з раннім Дальтоном і Герапатом: газ дедалі більше розумівся як сукупність частинок, швидкість руху й проникнення яких залежить від маси, густини та молекулярної природи речовини. У 1831 році Юстус фон Лібіх здійснює прорив, який перетворив органічний атомізм з елітарного мистецтва на масову лабораторну практику. Він винаходить каліапарат (Kaliapparat) — п’ятишариковий скляний прилад для вловлювання вуглекислого газу, що утворюється під час спалювання органіки. Зразок органічної речовини спалювали, а вивільнений вуглекислий газ поглинався розчином гідроксиду калію в цих скляних кулях. За зміною ваги куль хімік із найвищою точністю визначав масу вуглецю. При цьому час аналізу скоротився з кількох днів до пари годин, а точність зросла в багато разів. Хіміки всього світу отримали інструмент для миттєвого й безпомилкового визначення «брутто-форм» — тобто точного числа атомів вуглецю, водню й кисню в будь-якій органічній сполуці, і це зрештою призведе до кризи електрохімії.

У наступні кілька років Майкл Фарадей проводить серію дослідів, які пов’язали атомізм з електрикою на строгому математичному рівні. Він формулює два закони електролізу і вводить фундаментальну термінологію: іон, катод, анод, електроліт. Фарадей довів, що маса речовини, виділеної на електроді, строго пропорційна кількості пропущеної електрики, а за однакової кількості струму маси елементів, що виділяються, пропорційні їхнім хімічним еквівалентам. Як ми вже говорили вище, сам Фарадей, будучи прихильником динамічного атомізму Бошковича, скептично ставився до «матеріальних кульок» Дальтона. Однак його закони стали залізним аргументом для майбутніх поколінь: вони прямо вказували, що електрика дискретна, а кожен атом переносить строго визначену, неподільну «порцію» або «квант» електричного заряду.

1834 рік приніс найважливіші віхи як для фізичної, так і для хімічної гілок теорії. Французький фізик Бенуа Поль Еміль Клапейрон (1799-1864) об’єднує закони Бойля-Маріотта, Гей-Люссака і Шарля в єдину математичну систему. Він виводить рівняння стану ідеального газу, яке в сучасному записі має вигляд: PV = nRT. Для атомізму це рівняння стало фундаментальною макроскопічною рамкою. За двадцять років фізики-кінетики (Крьоніг, Клаузіус) доводитимуть реальність молекул саме через спроби вивести це рівняння Клапейрона суто механічним шляхом, через розрахунок ударів мільярдів невидимих атомів об стінки посудини.

У хімічному атомізмі Жан-Батист Дюма та Ежен Пеліго досліджують деревний спирт і формулюють «теорію радикалів». Вони доводять, що стійка група атомів (у цьому разі метил) здатна без змін переходити з однієї хімічної сполуки в іншу, поводячись у реакціях так само, як поводиться одиничний неподільний атом елемента. Молекула починає сприйматися не просто як купа атомів, а як стійкий союз «блоків» і «деталей». Тому 1835-1837 роки характеризуються як нова хвиля кризи й наростання скептицизму. Атомістична теорія стикається з потужною внутрішньою суперечністю, яка на певний час загальмувала її розвиток. Дюма виявляє, що в органічних сполуках (наприклад, в оцтовій кислоті) можна замістити водень хлором, але загальні хімічні властивості молекули та її геометрія при цьому принципово не зміняться. Це відкриття завдало смертельного удару теорії електрохімічного дуалізму Берцеліуса. Згідно з його моделлю, атоми утримувалися разом лише притяганням протилежних зарядів: електропозитивний водень не міг бути замінений електронегативним хлором без миттєвого руйнування всієї молекули. Але тепер на практиці було показано, що молекула виживала.

Після того як Дюма довів можливість заміщення водню хлором в оцтовій кислоті без зміни її основних властивостей, він завдає рішучого удару по електрохімічній теорії Берцеліуса. У 1839 році Дюма формулює першу теорію типів (унітарну систему). Він стверджує, що молекула — це єдина, цілісна споруда, де властивості визначаються не електричними зарядами атомів, а їхнім положенням у загальній структурі. Якщо замінити один елемент на інший у тому самому «вузлі» кристалічної або молекулярної ґратки, хімічний тип сполуки збережеться. У 1840 році французький хімік Шарль Жерар (1816-1856) публікує критичні статті, що підтримують Дюма. Починається запекла багаторічна дискусія. Стара гвардія на чолі з Берцеліусом до останнього захищає ідею про те, що атоми поділяються суворо на «плюс» і «мінус», але натиск фактів органічної хімії стає нездоланним. Унітарний атомізм перемагає дуалістичний. І якщо навіть Дюма спочатку будував теорію типів через «механічну» аналогію (архітектура будівлі), то Жерар пішов далі й оголосив, що ми взагалі не можемо знати реальне розташування атомів у молекулі, а всі наші формули — це лише «типи реакцій». Через це Дюма і Жерар на початку 1840-х навіть гостро конфліктували. Їхньому союзу й загальному визнанню унітарної системи трохи згодом допоможе Огюст Лоран, який став мостом між геометричним підходом Дюма та розрахунковим підходом Жерара.

І знову настав тимчасовий розчарування в теоретичному атомізмі. Поняття «атом», «молекула» і «еквівалент» і далі залишалися заплутаними, і багато хіміків, слідом за Дюма та Жераром, почали стверджувати, що атоми — це лише зручні вигадані знаки на папері для ведення балансу в реакціях, а шукати їхню реальну фізичну форму просто ненауково. Наука завмерла напередодні повного перегляду хімічної архітектури. У наступні роки хімія перенесла фокус уваги з питання «з яких елементів складається речовина?» на питання «як саме атоми розташовані в просторі?». І поки хіміки перебудовували архітектуру молекул, фізики кардинально переглянули природу міжатомного простору. Відбуваються й нові значущі відкриття, і одне з найголовніших належить до 1842 року, коли німецький лікар і фізик Юліус Роберт фон Майєр (1814-1878) теоретично обґрунтовує закон збереження енергії. Не менш важливим стає відкриття 1843 року, коли англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) експериментально виміряв механічний еквівалент теплоти. Досліди Джоуля з використанням поданої установки (де вантажі, опускаючись, обертали лопаті в посудині з водою, нагріваючи її за рахунок тертя) остаточно довели, що тепло — це не флюїд («теплород»), який оточує атоми. Радше тепло є формою енергії, як кінетична енергія руху самих атомів і молекул. Від цього моменту фізика газів і термодинаміка дістали зелене світло для математичного опису теплоти як хаотичного польоту мікрочастинок.

У 1843-45 роках французькі вчені Шарль Жерар і Огюст Лоран здійснюють критично важливу реформу атомних ваг, яка вивела хімічний атомізм із затяжного глухого кута й плутанини формул. Вони помітили, що формули органічних речовин, уживані школою Берцеліуса, невиправдано подвоєні (наприклад, для вуглекислого газу писали C₂O₄ замість CO₂, а для води — HO замість H₂O). Це відбувалося тому, що еквівалентні ваги вуглецю й кисню приймали за 6 і 8 замість 12 і 16. Нарешті Жерар повертається до концепції Авогадро й Ампера та суворо розмежовує поняття:

• Атом — найменша кількість елемента, що існує в сполуках.
• Молекула — найменша кількість речовини, здатна до самостійного існування в газовій фазі.
• Еквівалент — суто емпірична пропорція заміщення.

Жерар приймає атомні ваги C=12, O=16, S=32 і переписує формули сотень органічних сполук, зводячи їх до спільного знаменника. Це впорядкування викликало люту протидію консерваторів, але помітно спростило обчислення. Відтепер атомізм знову стає трохи точнішим, і його прихильники набувають упевненості. Невдовзі вона ще більше посилюється. До 1848 року атомісти сприймали молекули переважно як пласкі, двовимірні схеми. Не в останню чергу внаслідок тривалої боротьби проти «кульок» Дальтона. Але тоді двадцятишестирічний французький мікробіолог і хімік Луї Пастер (1822-1895) здійснює відкриття, яке змусило вчених мислити в трьох вимірах. Вивчаючи солі виноградної (паравиноградної) кислоти, яка була оптично неактивною, Пастер помічає під мікроскопом, що кристали натрієво-амонієвої солі мають асиметричні грані. Ба більше, ці грані закручені в різні боки — одні праворуч, інші ліворуч. Пастер вручну, за допомогою пінцета, розділяє ці кристали на дві купки. Коли він розчинив кожну купку окремо й пропустив крізь них поляризоване світло, з’ясувалося, що один розчин обертає площину поляризації праворуч, а інший — ліворуч (на точно такий самий кут). Із цього Пастер зробив фундаментальний висновок, що оптична активність розчинів зумовлена не формою макроскопічного кристала, а асиметрією самої молекули. Це стало незаперечним доказом того, що атоми всередині молекули організовані в сувору тривимірну просторову конфігурацію, здатну мати дзеркальну асиметрію (хіральність).

Наприкінці 40-х років концепція типів Жерара отримує блискучий експериментальний розвиток, що заклав основу для теорії валентності. У 1849 році французький хімік Шарль Адольф Вюрц (1817-1884), діючи лугами на ізоціанові ефіри, синтезує перші органічні похідні аміаку — метиламін і етиламін. Він доводить, що ці гази побудовані за «типом аміаку» (NH₃), де один атом водню заміщено на органічний радикал. А ще через рік англійський хімік Александр Вільям Вільямсон (1824-1904) у ході знаменитих дослідів із синтезу простих ефірів доводить, що спирти й ефіри побудовані за «типом води». У спирті один водень замінено на радикал (наприклад, етил), а в ефірі — обидва водні. Значення відкриттів Вюрца і Вільямсона полягає в тому, що тип води (H₂O) продемонстрував: центральний атом кисню здатний міцно утримувати й зв’язувати навколо себе два інші атоми або радикали. Тип аміаку (NH₃) показав, що атом азоту здатний утримувати три елементи. Наука впритул підійшла до усвідомлення того, що атоми мають суворо фіксовану ємність насичення, тобто валентність (у той час сам Жерар називав це явище атомністю).

Велике примирення

Період із 1851 по 1860 рік став «золотим десятиліттям» атомізму. Саме в ці десять років розрізнені хімічні гіпотези й емпіричні правила поєдналися в сувору, математично вивірену й логічно бездоганну систему. Атомізм здобув дві колосальні перемоги: (1) у хімії було відкрито валентність і створено теорію будови, (2) а у фізиці народилася молекулярно-кінетична теорія газів. Фінальною точкою цього періоду став перший в історії міжнародний науковий конгрес, що зафіксував тотальний тріумф атомістичного світогляду. Отже, 1852 року англійський хімік Едуард Франкленд (1825-1899), вивчаючи металоорганічні сполуки (наприклад, диметилцинк), помічає сувору закономірність у тому, яку кількість радикалів або атомів можуть приєднувати до себе метали. У статті, поданій Лондонському королівському товариству, він запроваджує поняття «сполучної здатності» елементів. Франкленд заявляє:

«Яким би не був характер атомів, що сполучаються, притягальна сила безстороннього елемента (якщо можна так висловитися) завжди задовольняється однією й тією самою кількістю цих атомів».

Це відкриття, пізніше назване валентністю, перетворило атом із абстрактної сфери на впорядкований «центр хімічних зв’язків». Стало зрозуміло, що кожен атом має фіксоване число одиниць спорідненості. Між 1856 і 1857 роками відбувається тріумф фізичного атомізму. Фізика остаточно відмовляється від статичних моделей газів, де атоми нерухомо висіли в «хмарах теплороду», і переходить до динаміки. Спершу німецький фізик Август Крьоніг (1822-1879) публікує коротку статтю з кінетичної теорії газів. Він математично моделює газ як сукупність атомів, що рухаються з величезною швидкістю й ідеально пружно вдаряються об стінки посудини. Це дало йому змогу легко вивести закон Бойля-Маріотта з чистої механіки. Потім Рудольф Клаузіус (1822-1888) розвиває ідеї Крьоніга в масштабну фізичну теорію в праці «Про рід руху, який ми називаємо теплотою» (1857). Клаузіус запроваджує революційні ускладнення: молекули газів здійснюють не лише поступальний рух, а й обертаються та коливаються. Він уперше обчислює середню швидкість руху молекул (для кисню за 0 °C вона становила понад 400 метрів за секунду). Річ у тім, що проста модель Крьоніга (де атоми — просто летючі тверді точки) давала хибні результати під час обчислення питомої теплоємності газів. Якби енергія витрачалася лише на поступальний політ, гази нагрівалися б швидше, ніж показував експеримент. Клаузіус зрозумів, що частина тепла «ховається» всередині молекули, тобто йде на її розкручування та коливання атомів один відносно одного (внутрішні ступені свободи). Це остаточно перетворило фізичний атом із неподільної точки Бошковича на складну динамічну систему. Відтепер фізичний атомізм отримав математичний апарат, а макроскопічний тиск газу став прямим наслідком сумарних мікроскопічних ударів рухомих молекул.

У 1859-1860 роках німецький хімік Роберт Бунзен (1811-1899) і фізик Густав Кірхгоф (1824-1887), працюючи в Гейдельберзькому університеті, створюють метод спектрального аналізу. Використовуючи вдосконалену Бунзеном газову пальник (що давала високотемпературне, але практично безбарвне й несвітне полум’я) і призменний спектроскоп Кірхгофа, учені виявили, що розжарені пари кожного ізольованого елемента випромінюють суворо визначений, індивідуальний набір яскравих кольорових ліній. Наука дістала унікальний оптичний «відбиток пальця» конкретного атома. Для атомістичного світогляду це відкриття мало колосальні наслідки одразу в трьох вимірах: (1) Кірхгоф зіставив яскраві лінії випромінювання земних металів із темними лініями поглинання в сонячному спектрі й довів, що на Сонці присутні ті самі атоми, що й на Землі, зокрема натрій, залізо, магній і водень. Це завдало нищівного удару догматичному позитивізмові Огюста Конта, який ще в «Курсі позитивної філософії» безапеляційно твердив, що людство назавжди приречене залишатися в невіданні щодо хімічного складу небесних тіл. Атомізм раптово набув статусу універсального космічного закону. Цеглинки матерії виявилися тотожними в усій Всесвіті; (2) Те, що атом випромінював світло не суцільною стіною (як тверде тіло), а у вигляді дискретних, суворо фіксованих довжин хвиль, наочно демонструвало, що динаміка всередині самого атома підпорядковується найсуворішому математичному порядку. Спектральний аналіз показав, що атом — це не мертвий статичний кулька, а складна коливальна система (що за пів століття стане емпіричним підґрунтям для квантової моделі Нільса Бора); (3) Метод миттєво перетворився на найчутливіший інструмент пошуку нових елементів, даючи змогу виявляти сліди невідомих атомів там, де традиційний ваговий аналіз пасував. Уже 1860 року Бунзен і Кірхгоф за характерними синіми лініями відкривають у мінеральних водах цезій, а 1861 року за яскраво-червоними лініями — рубідій.

Органічна хімія здійснює колосальний ривок завдяки усвідомленню унікальних властивостей вуглецю. Німецький хімік Фрідріх Август Кекуле (1829-1896) постулює, що вуглець є чотиривалентним елементом. Він відносить його до того самого типу, що й метан (CH₄). У 1858 році Кекуле й незалежно від нього шотландець Арчибальд Скотт Купер роблять ще один фундаментальний крок. Вони заявляють, що атоми вуглецю мають унікальну здатність зв’язуватися одне з одним у довгі ланцюги. Купер робить найважливіший внесок у візуальну мову науки. Він пропонує позначати хімічний зв’язок між атомами лінією (рискою). Хімічні формули на папері з безформних рядків перетворюються на архітектурні креслення молекул.

Тим часом, як Кекуле будує вуглецеві ланцюги, в європейській хімії панує хаос. Різні лабораторії використовують різні атомні ваги (для однієї й тієї самої речовини існувало до 10 варіантів цілком різних формул). Так триває доти, доки італійський хімік Станіслао Канніццаро (1826-1910) не опублікує брошуру «Короткий виклад курсу хімічної філософії» (1858). Канніццаро бере за основу забуту гіпотезу свого співвітчизника Амедео Авогадро (1811) і доводить, що вона ідеально розв’язує всі суперечності. Канніццаро здійснив переворот тим, що запропонував визначати атомну вагу елемента через його молекулярну вагу в газоподібному стані. Він показав, що потрібно взяти масу рівних об’ємів різних газів (за законом Авогадро), знайти вагу їхніх молекул, а потім подивитися, яка найменша маса даного елемента входить до всіх цих летких сполук. Це число і буде справжньою вагою атома. Тим самим він наводить жорсткий математичний порядок і чітко розмежовує поняття «атом» (неподільний учасник реакцій) і «молекула» (вільно літаюча група атомів). Наступного року великий шотландський фізик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) звертає увагу на те, що мільярди атомів, які літають у газі, постійно зіштовхуються і змінюють свої швидкості. Фізика більше не може розраховувати траєкторію кожного атома окремо, тепер потрібен статистичний підхід. Максвелл виводить закон розподілу молекул за швидкостями (розподіл Максвелла). Він доводить, що в стані рівноваги більшість молекул рухається з певною середньою «найімовірнішою» швидкістю, але завжди є невелика частка дуже повільних і дуже швидких частинок. Так атомізм уперше стає імовірнісною та статистичною наукою.

І ось настає грандіозний фінал у цій довгій історії інституціоналізації атомізму. З 3 по 5 вересня 1860 року в німецькому місті Карлсруе збирається Перший міжнародний конгрес хіміків, на який з’їхалися 140 провідних учених світу (зокрема Кекуле, Бутлеров, Менделєєв, Дюма і Бородін). Їхня мета полягає саме в тому, щоб припинити хаос з атомними вагами. Головним героєм з’їзду стає Станіслао Канніццаро. Він палко захищає свої ідеї, а наприкінці конгресу делегатам роздають його брошуру. Побачивши цей простий метод, Лотар Меєр згодом навіть писав:

«У мене ніби пелена спала з очей, зникли всі сумніви, і натомість постало відчуття ясної впевненості».

Конгрес ухвалив історичні рішення, офіційно зафіксувавши остаточний і суворий поділ понять атома і молекули; а також єдину систему атомних ваг, засновану на водневій одиниці (H=1, O=16, C=12). Усі формули на кшталт HO для води було остаточно визнано хибними й замінено на H₂O. Атомістична теорія вийшла з кризи абсолютною переможницею. Фізика довела реальність атомів через математичну модель теплоти й тиску, а хімія набула єдиної міжнародної мови, чітких атомних ваг і розуміння валентності. Плутанина припинилася. На цей монолітний фундамент у наступне десятиліття стануть теорія хімічної будови Бутлерова і Періодичний закон Менделєєва.

Тріумф атомізму і друга хвиля критики

Спираючись на рішення конгресу в Карлсруе, вчені перестали сперечатися про ваги й впритул узялися за внутрішню архітектуру молекул та глобальну систематизацію самих атомів. Поступово атомізм набував передбачувальної сили, здатної відкривати нові елементи «на кінчику пера». 19 вересня 1861 року на з’їзді німецьких природодослідників і лікарів у Шпаєрі російський хімік Олександр Бутлеров (1828-1886) читає історичну доповідь «Про хімічну будову речовин». До Бутлерова вважалося, що справжнє розташування атомів усередині молекули пізнати неможливо, а формули — це лише умовні схеми реакцій. Бутлеров заявляє, що хімічна будова цілком пізнавана, і що кожна молекула має суворо визначений, фіксований каркас зв’язків між атомами. Він пояснює, чому речовини з однаковим складом мають різні властивості. Усе річ у порядку зчеплення. Чотиривалентний вуглець може зв’язуватися в прямі ланцюги або розгалужені. Теорія хімічної будови дала хімікам точну карту для конструювання нових молекул.

Зрозумівши, що атоми мають чіткі ваги й валентності, вчені в різних країнах починають шукати глобальний закон, що пов’язує всі елементи між собою. У 1862 році французький геолог Олександр Еміль де Шанкуртуа (1820-1886) розташовує елементи по спіралі на циліндрі в порядку зростання їхніх атомних ваг. Він помічає, що подібні елементи часто опиняються один під одним, і формулює висновок: «властивості елементів є властивостями чисел». Але його праця лишилася непоміченою через складну геологічну мову й відсутність графічної таблиці. Трохи згодом англійський хімік Джон Ньюлендс (1837-1898) помічає, що при впорядкуванні елементів за вагою властивості кожного восьмого елемента нагадують властивості першого (як ноти в музичній октаві). Наукова спільнота висміяла Ньюлендса за «пошук музики в хімії», оскільки в його таблиці було багато натяжок, що зближували хімічні елементи з музичною грамотою. У 1864 році німецький хімік Юліус Лотар Мейєр (1830-1895) у книзі «Сучасні теорії хімії» публікує таблицю з 28 елементів, згрупованих за їхньою валентністю, і в порядку зростання атомних мас. Це був величезний крок уперед, але таблиця охоплювала далеко не всі відомі елементи.

1865 рік приносить атомізму два нові фундаментальні відкриття, одне в органічній хімії, друге в молекулярній фізиці. Фрідріх Август Кекуле розв’язує головну головоломку органічної хімії того часу — структуру бензену (C₆H₆). Згідно з валентністю, бензен мав би бути вкрай нестабільною й реакційноздатною речовиною, але на практиці він поводився напрочуд інертно. Кекуле розуміє, що ланцюг із шести атомів вуглецю замкнений у циклічне кільце з почерговими одинарними й подвійними зв’язками. За легендою, ця ідея прийшла до нього уві сні, коли він побачив змію, що кусає себе за хвіст. Це відкриття відкрило шлях до промислового синтезу барвників, ліків і вибухових речовин. Друге найважливіше відкриття робить австрійський фізик Йоганн Йозеф Лошмідт (1821-1895). Він здійснює те, що Дальтон вважав принципово неможливим. Використовуючи математичний апарат кінетичної теорії газів Клаузіуса і Максвелла, він уперше обчислює реальний фізичний розмір молекул повітря. Лошмідт визначив, що діаметр молекули газу становить величину порядку 10^-8 см (один ангстрем). Також він розрахував кількість молекул в одиниці об’єму ідеального газу за нормальних умов — фундаментальну константу, яку сьогодні називають числом (або сталою) Лошмідта. Атоми остаточно перестали бути умоглядною абстракцією, тепер вони дістали точні геометричні розміри в метричній системі.

Фіналом цього десятиліття став найвеличніший тріумф в історії хімічного атомізму. 1 березня 1869 року російський хімік Дмитро Менделєєв (1834-1907) розсилає провідним ученим свій перший начерк єдиної системи елементів. На відміну від своїх попередників, Менделєєв об’єднав елементи не просто за валентністю чи подібністю, а на основі фундаментального критерію — нерозривного зв’язку між атомною вагою елемента та його хімічними властивостями. Трохи пізніше Лотар Мейєр публікує статтю, де подає графік залежності атомного об’єму (відношення атомної ваги до густини в твердому стані) від атомної ваги. Графік мав чітку хвилеподібну, циклічну форму, блискуче підтверджуючи фізичну періодичність властивостей атомів. Цей графік мав колосальне значення для фізичного крила атомістів. До нього таблиця Менделєєва здавалася суто «хімічною» класифікацією, зручним каталогом реакцій і валентностей. Крива Мейєра наочно показала, що періодичність — це фундаментальна фізична властивість самого атома. Лужні метали (Li, Na, K, Rb, Cs) завжди опинялися на найвищих піках цих «хвиль», а западини займали важкі метали з центру таблиці. Цей графік буквально візуалізував пульсацію фізичних властивостей матерії в міру зростання маси атома.

Уже в листопаді 1870 року Менделєєв подає статтю, де йде на нечуваний для науки ризик. Щоб зберегти періодичність, він залишає у своїй таблиці порожні клітинки і на основі навколишніх елементів у найдрібніших деталях описує властивості трьох ще не відкритих атомів, давши їм тимчасові назви:

• Екаалюміній (майбутній галій)
• Екабор (майбутній скандій)
• Екасиліцій (майбутній германій)

Менделєєв передбачив не просто їхнє існування, а й їхню точну атомну масу, густину, температуру плавлення та формули їхніх оксидів. Коли в наступні десятиліття ці елементи було відкрито в лабораторіях, точність передбачень Менделєєва приголомшила науковий світ.

Період із 1871 по 1880 рік ознаменувався остаточним переходом атомізму зі статусу «найімовірнішої гіпотези» до статусу фундаментальної пояснювальної та передбачувальної сили науки. У хімії атомізм набув повноцінного третього виміру — геометрії молекул у просторі. У 1874 році молодий голландський хімік Якоб Генрик Вант-Гофф (1852-1911) і француз Жозеф Ашіль Ле Бель (1847-1930) незалежно один від одного створили стереохімію. Вант-Гофф запропонував радикальну геометричну модель. Чотири валентності вуглецю спрямовані не в площині, а до вершин правильного тетраедра. Це миттєво пояснило просторову ізомерію та оптичну активність, відкриту ще Пастером. Атом вуглецю перестав бути точкою на папері, він набув жорсткої тривимірної форми. У фізиці статистична механіка Людвіга Больцмана (1844-1906) пов’язала теплові закони Всесвіту (друге начало термодинаміки та зростання ентропії) з хаотичним танцем невидимих частинок. Ентропія зростає просто тому, що система атомів статистично прагне перейти від порядку до найімовірнішого безладу.

Хоча вже тоді перші експерименти з вакуумними трубками заклали міну уповільненої дії під головне положення класичного атомізму — догму про неподільність атома. Ідеться про Вільяма Крукса (1832-1919) та його експерименти з катодними променями у глибокому вакуумі (1879). Крукс виявив, що в трубці летить потік якихось загадкових заряджених частинок, і припустив, що відкрив «променисту матерію» (четвертий стан речовини) — певний ультраатомістичний субстрат, з якого складаються самі атоми. Це був прямий шлях до відкриття електрона Томсоном у 1897 році, але навіть тут уже видно, що багато вчених того часу шукають якісь лазівки, аби скинути саму логіку атомізму, і шукають гучні газетні фрази, які покажуть, що світ складається з чогось тоншого, незбагненного й складнішого.

У період із 1881 по 1890 рік спостерігається парадокс. З одного боку, хімічний атомізм святкував абсолютний тріумф. Емпіричні передбачення справджувалися з аптекарською точністю, а теорії розчинів розвивалися з неймовірною швидкістю. З іншого боку, сам фізичний факт існування атомів зазнав найпотужнішої філософської атаки. Передова фізика того часу, захоплена термодинамікою, спробувала повністю вигнати «гіпотетичний атом» із наукової картини світу. Причому найпотужніші атаки почалися раніше, ще тоді, коли Менделєєв поширював перші версії своєї таблиці. Хімічний атомізм Менделєєва перемагав на практиці, але фізики зайшли в глухий кут через хвильову теорію світла. Якщо світло — це хвиля, йому потрібне середовище (ефір). Але якщо ефір існує і він неперервний, то як крізь нього літають мільярди твердих дальтонівських атомів, не зазнаючи жодного тертя й не гальмуючи планети?

Тому фізики першої величини й далі шукали альтернативи «мертвим дальтонівським кулькам». Нікуди не зникав позитивізм і еквівалентизм, хоча вони значно ослабли в 60-ті роки. Але з’являються й нові спроби! Вільям Томсон, лорд Кельвін (1824-1907), натхненний працями Гельмгольца про димові кільця та гідродинаміку вихорів, у 1867 році пропонує гіпотезу вихрового атома (vortex atom). Суть цієї теорії проста, і вона ґрунтується на хвильовій теорії світла. Світового вакууму немає, весь простір заповнений суцільним, неперервним, позбавленим тертя флюїдом — ефіром. А те, що ми називаємо «атомами», — це просто стійкі вихрові кільця (бублики або вузли) всередині цього самого ефіру. Їхні властивості залежать від форми кілець, а також від частоти їхньої вібрації. Аналогії із сучасними теоріями поля або теорією струн, як мені здається, надто очевидні, щоб зупинятися тут на їхньому поясненні. Ця модель на тридцять років полонила багатьох фізиків, бо вона повертала нас до континуалізму, але водночас пояснювала дискретність! Вихор в ідеальній рідині не може зникнути або розпастися сам собою — ось вам і «неподільність» атома. Виходило, що різні хімічні елементи — це просто різна топологія вузлів цих ефірних вихорів (водень — це просте гладке кільце; кисень — це вихор, зав’язаний у нескінченну вісімку; вуглець — це складний трилисниковий вузол).

До 1880–1890-х років тріумфальний розвиток термодинаміки привів до створення нової філософсько-наукової школи — «енергетизму», яка завдала другого найпотужнішого удару по атомізму після Кельвіна. Лідерами цього напряму стали майбутній нобелівський лауреат Вільгельм Оствальд (1853-1932), німецький фізик Георг Гельм (1851-1923) і видатний французький математик та фізик П’єр Дюгем (1861-1916). Їхній головний тезис полягав у тому, що класична механіка застаріла. Спроба пояснити світ через зіткнення невидимих атомів — це вульгарний антропоморфізм. У вересні 1895 року на з’їзді німецьких природодослідників Оствальд виголосив свій знаменитий маніфест із дуже промовистою назвою: «Подолання наукового матеріалізму». Оствальд стверджував, що матерія — це ілюзія, суто умоглядний конструкт. Атоми були нашою ментальною милицею, галюцинацією механістичної філософії Нового часу. Насправді все, що нам дано в досвіді та експериментах, — це енергія та її трансформації. Те, що ми вважаємо «ударом атома», — це просто передача кінетичної енергії. Оствальд закликав спалити механічні креслення молекул і описувати світ виключно через баланс енергетичних потоків. З математичного погляду енергетисти були озброєні бездоганними рівняннями термодинаміки Клаузіуса і Гіббса (1839–1903 рр.). Фундаментальний закон термодинаміки:

dU = TdS — pdV

У цьому рівнянні, що описує будь-яку фізико-хімічну зміну у Всесвіті, немає жодного атома. Тут є лише внутрішня енергія (U), температура (T), ентропія (S), тиск (p) і об’єм (V). Навіщо хіміку чи фізику вигадувати гіпотетичні кульки Дальтона, якщо можна обчислювати термодинамічні потенціали чистої енергії, отримуючи ідеальні передбачення для лабораторії? Тоді ж Дюгем у Франції створив «математичну термодинаміку», яка повністю ігнорувала молекулярну будову речовини, описуючи розчини та фазові переходи як неперервні енергетичні поля.

Філософським тараном у руках антиатомізму кінця XIX століття став австрійський фізик і філософ Ернст Мах (1838-1916). Він довів позитивізм Конта до абсолютної межі, створивши філософію емпіріокритицизму. Мах стверджував, що єдина реальність, доступна людині, — це наші власні чуттєві відчуття (кольори, запахи, просторові форми, звуки). Світ складається не з предметів і атомів, а з комплексів відчуттів, і тому наука — це не пошук «об’єктивної істини», а лише інструмент для економії мислення. Атом із погляду Маха — це типовий «ментальний допоміжний засіб» (Denkbehelfe), зручна математична фікція, інструмент для стенографування досвіду, на кшталт геодезичних ліній на карті. На картах є ізолінії, але ніхто не шукає їх у землі. На засіданнях Віденської академії наук, коли колеги-фізики починали міркувати про властивості молекул, Мах із їдкою усмішкою переривав їх своїм знаменитим запитанням: «Haben Sie mal einen gesehen?» («А ви бачили хоч один?»). Не варто також забувати про французького хіміка Бертело, який на посаді міністра народної освіти (у 1886–1887 роках) використовував адміністративний ресурс, затверджуючи навчальні програми, міністерські циркуляри та списки рекомендованих підручників. З них послідовно вичищалася атомно-молекулярна теорія, а замість неї насаджувалася система хімічних еквівалентів (яку Бертело вважав суто емпіричною, вільною від «гіпотетичних» атомів). Слово «атом» французькі студенти знали, але в офіційних відповідях на іспитах були зобов’язані використовувати формули еквівалентів, інакше ризикували провалитися.

Цей тотальний тиск з боку Маха, Оствальда і Дюгема створив наприкінці XIX століття задушливу атмосферу для вчених, які вірили у фізичну реальність частинок. Людвіг Больцман, найбільший теоретик статистичного атомізму, у передмові до своїх «Лекцій з теорії газів» (1898) з глибокою гіркотою писав, що почувається самотнім захисником приреченої ідеї, безсилим перед модою на енергетизм, яка захлиснула Європу.

Як світ знову стає корпускулярним

Останнє десятиліття XIX століття перевернуло наукові уявлення про світобудову. Протягом дев’яноста років атом, слухняний законам Дальтона і Менделєєва, уявлявся вченим монолітним, твердим і абсолютно неподільним «цеглинкою» матерії. Однак за ці десять років фізика зазирнула всередину цієї цеглинки й виявила там найскладнішу, сповнену динаміки систему. Позитивісти на чолі з Ернстом Махом, які стверджували, що атоми — не більш ніж математична фікція, до 1908 року будуть цілковито розгромлені каскадом експериментальних відкриттів, ланцюг яких почався ще в 90-х роках XIX століття. 

Спершу ірландський фізик Джордж Джонстон Стоуні (1826-1911) публікує працю, в якій пропонує термін «електрон» для позначення мінімальної, неподільної порції електричного заряду. Стоуні вивів цю величину ще 1874 року на основі законів електролізу Фарадея, але саме 1891 року концепція набула свого безсмертного імені, хоча сам носій цього заряду у вільному вигляді ще не був спійманий у лабораторії. 1894 року англійські вчені лорд Релей (Джон Вільям Стретт, 1842-1919) і Вільям Рамзай (1852-1916) здійснюють відкриття, що приголомшило хімічний світ. Релей зауважив дивну аномалію. Азот, виділений з атмосферного повітря, незмінно виявлявся важчим, ніж азот, отриманий хімічним шляхом із сполук. Об’єднавши зусилля, вчені видалили з повітря весь кисень, азот і вуглекислий газ, виявивши крихітний залишок невідомого газу. Він виявляв фантастичну інертність, не реагував ні з якою речовиною. Його назвали аргоном (від грецького «ледачий»). Спершу Менделєєв уважав аргон алотропною модифікацією азоту, адже в його таблиці не було місця для елемента з нульовою валентністю. Однак невдовзі Рамзай доведе, що вони відкрили цілу нову групу елементів, так звані благородні гази, які ідеально замкнули періоди таблиці.

8 листопада 1895 року у Вюрцбурзькому університеті Вільгельм Конрад Рентген (1845-1923) досліджує поведінку катодних променів у вакуумних трубках Крукса. Обгорнувши трубку щільним чорним картоном і ввімкнувши струм, він помічає в темряві дивне світіння екрана з платиноціаністого барію, що лежав на столі далеко від установки. Рентген розуміє, що з трубки виходить нове, всепроникне випромінювання, яке він назвав X-променями (X-Strahlen). Для атомізму це відкриття стало найважливішим непрямим сигналом: усередині вакуумних трубок під час бомбардування речовини відбуваються якісь приховані процеси, що змушують атоми випромінювати потужні енергетичні хвилі, здатні проходити крізь матерію. Наступного року французький фізик Анрі Беккерель (1852-1908), натхненний відкриттям Рентгена, вирішує перевірити, чи не випромінюють фосфоресцентні уранові солі X-промені після опромінення сонячним світлом. Через похмуру погоду в Парижі наприкінці лютого Беккерель ховає уранову сіль, загорнуту в чорний папір, у шухляду письмового столу, поклавши її просто на загорнуту фотопластинку. 1 березня він вирішує про всяк випадок проявити пластинку й приходить у захват: на ній відбився чіткий, яскравий силует уранових кристалів. Атоми урану, без жодного зовнішнього впливу (світла чи нагрівання), спонтанно й безперервно випромінювали потужну енергію. Але в цьому була й небезпека для атомізму, фундаментальний постулат якого, а саме ідея про вічний, пасивний і незмінний атом, раптом дала глибоку тріщину.

30 квітня 1897 року директор Кавендішської лабораторії Джозеф Джон Томсон (1856–1940) виступає з доповіддю на засіданні Королівського інституту, де оголошує про відкриття першої субкомпоненти атома. Томсон удосконалив трубки Крукса, створивши в них глибокий вакуум, що дало йому змогу вперше чітко відхилити катодні промені не лише магнітним, а й електричним полем. Вимірявши відношення заряду частинок до їхньої маси, він виявив, що ці «корпускули» (як він їх спочатку назвав) приблизно в 2000 разів легші за найлегший із відомих атомів — атом водню. Ба більше, ці частинки залишалися абсолютно однаковими, з якого б металу не виготовлявся катод. Відтепер атом було визнано складною структурою, що містить усередині себе електрони — універсальні негативно заряджені субчастинки. 1898 року Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934) і П’єр Кюрі (1859-1906), досліджуючи уранові руди, виявляють, що деякі відходи виробництва випромінюють значно сильніше, ніж чистий уран. У ході титанічної праці з переробки тонн руди вони відкривають два нові радіоактивні елементи — полоній (названий на честь батьківщини Марії — Польщі) і радій («променистий»). Вони формулюють висновок, що радіоактивність — це не молекулярна, а глибоко внутрішня атомна властивість елемента, і вона не залежить від того, чи перебуває атом у чистому вигляді, чи в складі складної хімічної сполуки, чи зазнає він заморожування або спалювання.

І ось, 1899 року молодий новозеландський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937), працюючи в Монреалі, досліджує проникну здатність випромінювання урану й доводить, що воно неоднорідне. Він поділяє його на альфа-промені (важкі, легко поглинані частинки з позитивним зарядом) і бета-промені (високошвидкісні електрони); а вже 14 грудня 1900 року, на засіданні Берлінського фізичного товариства, — Макс Планк (1858-1947) представляє формулу випромінювання абсолютно чорного тіла. Щоб позбутися математичних суперечностей, він змушений припустити, що енергія випромінюється й поглинається не безперервно, а дискретними порціями — квантами. Величина цієї порції визначається новою константою, названою стала Планка (h). Відтепер дискретність, або ж атомарність, знову перекинулася із самої матерії на енергію і світло.

Таким був той колосальний шлях, який атомізм пройшов за сто років, завершившись грандіозним концептуальним переворотом:

• На початку століття (1803 рік): Атом Дальтона — це неподільна, безструктурна тверда куля, що розрізняється лише хімічною вагою.
• У середині століття (1860-ті роки): Атом Бутлерова і Менделєєва — це геометричний центр валентних сил, що посідає чітке місце в періодичній системі залежно від своєї маси.
• У фіналі століття (1900 рік): Атом визнано найскладнішим мікросвітом. Він подільний, має вимірювані геометричні розміри, містить у собі електрони й володіє колосальними запасами внутрішньої енергії, яка спонтанно виривається назовні під час радіоактивного розпаду.

Ера класичного атомізму завершилася. Наука впритул підійшла до створення перших планетарних і квантових моделей атома, які визначать обличчя вже двадцятого століття. І щоб логічно завершити цю історію, ми трохи зайдемо на поле XX століття. По-перше, важливо підкреслити, щоб не виникало непорозумінь, що в 1899-1900 роках Макс Планк не вважав, що світло складається з корпускул. Планк був консерватором і до кінця життя обожнював хвильову теорію. У його моделі 1900 року дискретно (порціями) світло лише випромінюється і поглинається атомами (осциляторами) стінок чорного тіла. Але сам політ світла в просторі Планк і далі вважав неперервною електромагнітною хвилею в ефірі. Світло справді стало корпускулярним лише 1905 року, коли Альберт Ейнштейн опублікував свою революційну статтю про фотоефект. Саме Ейнштейн заявив, що порціями володіє не лише механізм випромінювання, а й саме світло складається з локалізованих у просторі квантів енергії, які згодом назвуть фотонами. Крім того, у період із 1905 по 1908 рік сталися дві події, що поставили крапку у віковій суперечці атомістів з енергетистами. У 1905 році Ейнштейн дав сувору математичну теорію броунівського руху, розрахувавши його на основі молекулярно-кінетичної теорії, а 1908 року французький фізик Жан Перрен провів титанічні мікроскопічні експерименти, які повністю підтвердили формули Ейнштейна. Він буквально підрахував число Авогадро через стрибки крупинок гумігуту. Саме 1908 року, визнавши результати Перрена, найбільший антиатоміст Вільгельм Оствальд публічно здався. Хоча ще 1895-го його аргументовано розгромив Больцман, спираючись ще на доейнштейнівські уявлення про фізику. Мах залишився наодинці. У передмові до нового видання свого підручника хімії Оствальд відкрито написав:

«Я переконався, що ми отримали експериментальні докази дискретної природи матерії, які атомна гіпотеза марно шукала протягом сотні років».