Теперь следует перейти от общих рассуждений к детальному знакомству с естественнонаучным творчеством великого русского ученого. Его начало пришлось на время, когда в мировой науке столкнулись две великие физические картины мира — картезианская и ньютонианская. Большую роль в этой борьбе играли мировоззренческие вопросы, конкуренция научных представлений и научных методов.
Ломоносов познакомился с обеими физическими системами, читая рекомендованную Хр. Вольфом литературу, а произведения Ньютона прочел еще раз, когда находился под домашним арестом в 1743 г. В этой развернувшейся перед ним «драме идей» русскому ученому предстояло либо присоединиться к одной из сторон, либо найти свой собственный путь. Ломоносов не был бы Ломоносовым, если бы не выбрал именно этот последний вариант. Его решение было достойно гения: попытаться построить свою собственную физическую картину мира. Позднее он с гордостью запишет: «Меня за Аристотеля, Картезия, Невтона не почитайте…» Он чувствует в себе силу совершить научный подвиг, равный Декартову и Ньютонову.
Можно предположить, что побуждением к такому решению было пришедшееся на 1738 г. знакомство с атомистическим учением английского ученого Роберта Бойля. В 1756 г. он писал: «С тех пор, как я прочитал Бойля, овладело страстное желание исследовать мельчайшие частицы. О них я размышлял 18 лет». В Мар-бургском университете Ломоносов заинтересовался главным образом физикой, а в физике — теорией строения вещества. В этом проявилась особенность таланта Ломоносова: его привлекали в науке фундаментальные аспекты, имеющие мировоззренческий, философский характер. Он и сам отмечал это. В «Посвящении» ко второму изданию «Вольфианской экспериментальной физики» Ломоносов писал: «Новые изобретения в физике имеют разные степени важности. Иные только в поправлениях, иные в целых состоят основаниях, от коих вся система физического учения новый вид принять долженствует». Ломоносов безусловно предпочитал второй вид «новых изобретений».
В основе разработанной Ломоносовым теории строения вещества («корпускулярной философии») лежали материалистическо-механистические представления. Он считал, что объективно существующий материальный мир познаваем, подчиняется единым законам и причинно обусловлен. Материя тел, считал ученый, дискретна, ее можно физически делить, но до определенного предела. Получающиеся в конце такого деления частицы настолько малы, что «ускользают от чувства зрения», поэтому Ломоносов называл их «нечувствительными физическими частицами». Эти частицы имеют протяженность, фигуру и инерцию, а следовательно, каждая из них состоит из определенного количества материн. Ученый разделял представление Ньютона о том, что количество материи тела пропорционально силе инерции.
Все «нечувствительные частицы» считал ученый, имеют шарообразную форму, состоят из абсолютно твердой бесструктурной первичной материи и имеют на поверхности правильно организованные выступы и впадины. Единственное различие между частицами различных тел заключается лишь в величине их диаметров. «Нечувствительные частицы» могут объединяться в «корпускулы», причём соотношение частиц в каждой из них такое же, как и соотношение, веществ, составляющих данное тело.
Основополагающим в «корпускулярной философии» Ломоносова было положение о том, что движение является атрибутом материи. Частицы тел могут совершать три вида движения: поступательное, колебательное и вращательное. Последнее, по мнению Ломоносова, является наиболее распространенным и, как будет показано ниже, таит наибольшие возможности для объяснения многих физических явлений. В «корпускулярной философии» Ломоносова оно играет роль наиболее универсального и всеобщего способа взаимодействия частиц.
Ломоносов, как и Декарт, был убежден, что общее количество движения в мире остается неизменным. Оно определяется количеством «первичного» движения, которое механическим взаимодействием в результате столкновений передается другим, ранее покоящимся частицам и телам, приобретающим вследствие этого «производное» движение.
По мысли Ломоносова, «чувствительные» тела обладают общими и частными качествами. Первые определяются фигурой тела, его движением и инерцией, положением составляющих тело частиц. Общие качества выражают сущность тела и лежат в основе его частных качеств, к которым ученый относит «теплоту и холод; сцепление частей, удельный вес, цвет, запах, вкус, упругость и специфические свойства, каковы силы электрическая, магнитная, лечебная». Изменение частных качеств происходит вследствие перестройки расположения, изменения характера или интенсивности внутреннего движения составляющих тело частиц. Поскольку же «нечувствительные частицы» состоят из определенного количества материи и перемещаются по законам механики, то «частные качества тел могут быть объяснены законами механики».
Наиболее сложным для решения в разрабатываемом Ломоносовым учении о строении вещества оказался вопрос о силах, действующих между частицами или на частицы в твердом теле, заставляющие их образовывать корпускулы и сами твердые тела. Здесь, как нам представляется, следует сделать небольшое, но очень существенное отступление. Как последовательный материалист Ломоносов не принял феноменологического подхода Ньютона, который лишь зафиксировал наличие сил, действующих на расстоянии между любыми материальными телами, а от объяснения причин такого явления отказался, заявив, что гипотез он не изобретает (gypothesis non fingo). Неприемлемой для русского ученого оказалась и теория Декарта, согласно которой тела взаимодействуют между собой, поскольку между ними образуются вихри той или иной степени интенсивности.
Действие на расстоянии противоречило, считал Ломоносов, закону сохранения движения, ведь в этом случае «…тело А, находясь в абсолютном покое, движет тело В. Последнее же будет двигаться по направлению к телу. А т. е. к нему прибавится нечто новое, а именно, движение к телу А, которого ранее не было», В силу закона сохранения движения тело А должно отдать В некоторое количество движения, которым само не обладает, «следовательно, тело А, находясь в абсолютном покое, не может двигать другое тело В», а отсюда вывод: «никакое чистое притяжение не может существовать». Тогда что же удерживает частицы друг около друга в твердом теле? По Ломоносову, частицы сцепляются «силой давления некоего жидкого тела, которое окружает тела и наполняет их поры». Можно предположить, что таким «жидким телом», по мнению ученого, является эфир, наполняющий все мировое пространство.
Если таким образом можно было решить вопрос о взаимодействии частиц, то для объяснения причин всемирного тяготения Ломоносову потребовалась другая гипотеза.
Разработав основания своей «корпускулярной философии», Ломоносов стремится найти в совмещении и взаимодействии материальных частиц объяснение всех явлений природы.
Прежде всего заинтересовали его тепловые явления. В «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744) и в ряде последующих работ он отрицает господствовавшую в то время теорию теплорода. В противовес ей Ломоносов создает собственную теорию, согласно которой мерой температуры тела является скорость вращения составляющих это тело «нечувствительных частиц». Поскольку они состоят из неразрушимой материи, то могут вращаться со сколь угодно большой скоростью. Поэтому не существует предельно высокой степени температуры. Вместе с тем вращение частиц может уменьшаться, в принципе, до полного прекращения. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая, и последняя, степень холода (блестящий вывод, к которому невозможно было прийти на основе теплородной теории). Однако и «высшей степени холода (т. е. абсолютного нуля температур. — Э. К.) на нашем земноводном шаре не существует».
Гипотеза о вращательном движении частиц позволила Ломоносову объяснить превращение механической работы в тепло. При трении тела находящиеся на его поверхности частицы начинают быстрее вращаться, и происходит нагрев сперва поверхности, а затем вращение передается частицам, находящимся внутри тела. Так же объясняется нагревание холодного тела при его контакте с горячим.
В «Размышлениях о причине теплоты и холода» Ломоносов выдвинул принцип, позднее получивший название второго начала термодинамики: частицы более нагретого тела, согласно закону сохранения движения, не могут возбудить в менее нагретом теле более быстрого движения, поэтому «холодное тело В, погруженное в тело А, очевидно, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет А».
Заканчивая описание тепловой теории Ломоносова, нельзя не сказать о том, что зимой 1759/60 г. академик И. А. Браун при деятельном участии Ломоносова проводил опыты по замораживанию ртути, считавшейся до этого времени жидким, не способным замерзать телом. Замораживание ртути было выдающимся научным событием и большим достижением отечественной науки.