Все высказанные уже оговорки необходимы лишь для того, чтобы мы могли следить за опытами, задуманными Менделеевым в 1860 году, без всякой предвзятости и без чрезмерных ожиданий. Они достаточно интересны сами по себе, и мы их так, попросту, и опишем.
Чего хотел достичь Менделеев – мы знаем: он стремился ослабить силы сцепления между молекулами и посмотреть, не прячутся ли за ними какие-нибудь любопытные и важные для химии свойства вещества, обычно замаскированные игрой этих сил взаимодействия между молекулами. Когда, с помощью рычага весов, он оторвал пластинку, припаянную к поверхности жидкости, он противопоставлял силе сцепления частиц жидкости силу земного тяготения. Он словно «взвешивал» стремление молекул к взаимному сближению. В этом опыте сила сцепления испытывалась на крайнем пределе ее мощи, когда она в состоянии еще удерживать прилипающую к поверхностному слою пластинку твердого тела. Но эту же силу можно наблюдать и на крайнем пределе ее немощи, когда она почти уничтожена. Что лее может свести «нанет» силу сцепления частиц между собой? Только что родившаяся новая механическая теория тепла указывала Менделееву ответ: ускорение их хаотического теплового движения.
Прибором для измерения сил сцепления частиц жидкости Менделееву служила тонкая стеклянная трубка с отверстием не толще волоса, так называемый капилляр. Если такой капилляр погрузить одним концом в жидкость, он тотчас начнет наполняться этой жидкостью до определенного уровня. Одна жидкость поднимается в капиллярной трубке на большую высоту, другая – на меньшую. Она вздымается повыше, если сила сцепления частиц в жидкости велика, пониже – если она мала. Таким образом, в этом простом приборе связываются между собой два физических явления: сила сцепления частиц жидкости и высота подъема жидкости в капилляре, – здесь одно является следствием другого, одно познается через другое. Шкалой этого прибора является сама стеклянная трубочка капилляра. Указатель силы сцепления – столбик жидкости, вздымающийся по волосному каналу капилляра на ту или иную высоту. Если жидкость нагревать, сцепление частиц в ней ослабляется, потому что верх берет хаотическое тепловое движение, передающееся от молекулы к молекуле и заставляющее их двигаться все быстрее и быстрее. Термометр показывает, насколько сильно нагрета жидкость. Насколько, соответственно, уменьшается сила сцепления, показывает высота подъема жидкости в капиллярной трубке. Вот и все исходные условия для наблюдений, которые предпринял Менделеев.
Он с утра и до ночи пропадал в своем сарайчике. Ему приходилось быть одновременно и исследователем, и препаратором, и лаборантом. Он сам паял термометры, сам очищал исследуемые жидкости от примесей, проверял или заново определял их удельные веса, снова оставляя в наследство своим благодарным последователям громадные таблицы безупречно точных данных. Он сопоставлял силу сцепления жидкостей и их плотность. Он наблюдал за тем, как сцепление изменялось с изменением состава жидкости. Он старался обнаружить еще новые, неизвестные связи явлений. И он не замечал ничего! Во всяком случае – ничего интересного для химика.
Он несколько видоизменил свои опыты: он измерял удельный вес жидкости при самых высоких температурах и самых больших давлениях, которые мог получить. Для этого он нагревал жидкости в запаянных с обоих концов стеклянных трубках. Увы, изменения удельного веса при всех условиях подчинялись одним и тем же законам. Никаких отступлений от хорошо известных правил! Было от чего прийти «в отчаяние… Вместо того чтобы открывать новые явления, Менделеев исчерпывал – «закрывал» – одну область исследования за другой. После такого тщательного обследования там нечего было бы больше делать. Он выполнял, таким образом, почетную и важную, хотя и незаметную, черновую работу ученого. Без нее наука не может двигаться вперед, как войско, не закрепившее за собой тыла.
Но Менделеев мечтал о другом!.. Где творческие свершения? Где разгадка ускользающей тайны?
Но вот одно явление, настолько мало выделяющееся из ряда других, подобных, что мимо него легко пройти равнодушно, как это и произошло со многими наблюдавшими его ранее – французским химиком Каньяр Латуром и другими. Перед исследователем запаянная стеклянная трубка с жидкостью. Он ее ставит вертикально. Края поверхностной пленки жидкости в капиллярной трубочке наползают на ее стенки и поднимаются выше уровня жидкости, как бы загибаются кверху. Поверхность жидкости, под действием сил сцепления, становится вогнутой. К запаянной трубке с жидкостью подводится источник тепла. Жидкость начинает нагреваться. Под влиянием нагревания силы сцепления ее частиц ослабевают, уравновешиваются силами теплового движения молекул, и уровень жидкости постепенно выравнивается. Из вогнутого он становится почти совсем плоским, еще более плоским, затем вдруг, внезапно, происходит мгновенный переход, и жидкость в трубке нацело исчезает – она вся сразу превращается в пар. Это происходит, когда сцепление становится равным нулю и жидкость превращается в тело без сцепления – в газ, – это отметил Менделеев в своей статье «Частичное сцепление некоторых жидких органических соединений», напечатанной в 1860 году в первом русском химическом журнале Н. Н. Соколова и А. Н. Энгельгардта, который эти неутомимые пропагандисты химии стали издавать в виде приложения к «Горному журналу».
«Температура этого превращения жидкости в газ – это абсолютная температура кипения», – написал Менделеев далее. С этими словами в науку входило новое понятие огромной важности. В следующей большой статье, опубликованной в том же журнале, «О сцеплении некоторых жидкостей и об отношении частичного сцепления к химическим реакциям» (1860) Менделеев еще более определенно подчеркивал, что «абсолютная температура кипения» жидкостей – это такая температура, выше которой жидкость уже не может существовать как жидкость: она вся превращается в пар».
«Абсолютная температура кипения» могла быть обнаружена только в опытах с жидкостью, нагреваемой в запаянной трубке, потому что для ее проявления должно существовать равновесие между стремлением частичек жидкости выскочить за границы поверхности, разделяющей жидкость и газ, и давлением пара над жидкостью, ограничивающим это стремление жидкости к испарению. С повышением температуры все больше частичек жидкости превращается в пар, а следовательно, все больше возрастает его давление, и так до того мгновения, когда все различия между жидкостью и паром сглаживаются и для полного перехода всей жидкости в пар не требуется уже никакой дополнительной затраты тепла.
Если понижать температуру любого газа, он также, рано или поздно, достигнет своей «критической точки», и если охлаждать его еще дальше, температура его перейдет за эту точку и он неизбежно превратится в жидкость. Всякую жидкость можно обратить в газ, и всякий газ можно обратить в жидкость. Это произойдет при достижении каждым из них своей особой «критической» точки – менделеевской «абсолютной температуры кипения».
Напрасно бились исследователи, пытаясь, вслед за Фарадеем, с помощью высоких давлений сжижать углекислый газ, азот и кислород, из смеси которых состоит воздух, которым мы дышим. Они подвергали эти газы все большему и большему сжатию, но получали сжатый газ и ничего больше. Газы – упрямцы, не желавшие сжижаться ни при каких давлениях, получили даже название «постоянных газов». Открытие Менделеева разоблачало секрет этого поразительного постоянства. Если эти газы не удавалось привести в жидкое состояние, так это только потому, что их не сумели охладить до «абсолютной температуры» их кипения, до «критической температуры», как ее сейчас называют в науке. Если бы экспериментаторы, которые продолжали безуспешно единоборствовать с «постоянными газами», дали себе труд дотянуться уж если не до «Горного журнала», издающегося в Петербурге, а хотя бы до известий Парижской Академии наук («Соmpte Rendus»), в которых были опубликованы краткие сообщения Менделеева об открытой им «температуре абсолютного кипения», и если бы они вдумались в сущность этого открытия, то на десять лет раньше, чем это в действительности произошло, они поняли бы, что никаких «постоянных газов» в природе не существует и существовать не может. Лишь десять лет спустя после обнародования результатов менделеевских исследований английский физик Эндрюс опубликовал свой мемуар, где понятия о «критической температуре» он связывал с задачей сжижения углекислоты. Менделеев с живостью отозвался на эту работу. Он написал «Замечания к исследованию Эндрюса над сжижаемостью углекислоты», где привел наиболее важные места из своих старых – гейдельбергских – работ, более точно определяющих «абсолютную температуру кипения», или «критическую температуру», чем это делал Эндрюс[13].
13
К 1870 году относится прямое утверждение Менделеева, непосредственно вытекавшее из его гейдельбергских работ, что «несжижаемость известных газов, как-то: кислорода, азота, водорода, зависит, по всей вероятности, от того, что опыты производились с температурами, более высокими, чем абсолютные температуры кипения; все более глубоким охлаждением предназначаемых к ожижению газов можно надеяться достичь их ожижения».