Третий из фундаментальных законов химии, упомянутых выше (обычно известный как закон Гей-Люссака), гласит, что когда два или более факторов или продуктов химического процесса являются газообразными, объемы этих газообразных веществ находятся друг к другу в очень простом отношении. Здесь, опять же, можно придумать многочисленные эксперименты для иллюстрации этого закона. Вода при разложении электричеством дает водород и кислород, объемы которых находятся друг к другу в отношении два к одному. Когда газообразный хлористый водород разлагается амальгамой натрия, объем исходного газа относится к объему остаточного водорода также в отношении два к одному. Когда аммиак разлагается хлором, объем полученного газообразного азота составляет одну треть от объема использованного хлора.
Проиллюстрировав эти три общих закона, следует обратить внимание на тот факт, что природа химического процесса и законы, которым он подчиняется, являются результатами наблюдения и не включают в себя никакой теории. На этих фактах построена наука химия. Современная система химии, однако, предполагает то, что известно как молекулярная теория, и с помощью этой теории пытается объяснить все эти факты и показать их взаимные связи. Здесь необходимо настаивать на различии между фактом и теорией, а также на ценности теории для классификации фактов и направления наблюдений.
Теперь дается определение молекулы, и если студент не изучал физику в достаточной степени, чтобы ознакомиться с основами кинетической теории газов, эта теория должна быть развита настолько, чтобы дать студенту знание трех великих законов Мариотта, Шарля и Авогадро. Его нужно заставить понять, как молекулы определяются физиком и как их относительные веса могут быть выведены путем сравнения плотностей паров. Затем его следует заставить сравнить относительные молекулярные веса, выведенные физическими средствами, с постоянными пропорциями, которые он наблюдал в химических процессах. Таким образом, он сам придет к выводу, что эти постоянные пропорции являются пропорциями молекулярных весов и что постоянство закона проистекает из того факта, что в каждом химическом процессе действие происходит между молекулами, а продукты процесса являются новыми молекулами, сохраняющими, конечно, свои определенные относительные веса. Студент будет таким образом подведен к химическому представлению о молекуле как о наименьшей массе любого вещества, в которой присущи его качества, и он начнет рассматривать химический процесс как всегда происходящий между молекулами.
До сих пор ничего не было сказано о составе материи. Химический процесс был определен просто как некие факторы, дающие некие продукты, но ничего не было определено относительно отношений этих различных веществ, за исключением того, что они определяются тремя законами, проиллюстрированными выше. Но теперь необходимо показать, что изучение различных химических процессов вынуждает нас заключить, что в одних случаях два или более веществ соединяются, образуя соединение, в то время как в других случаях соединение распадается на более простые части. Так, когда медные опилки нагреваются на воздухе, очевидно, что материал меди соединился с той частью воздуха, которую мы называем кислородом, чтобы образовать черный продукт, который мы называем оксидом меди; и, опять же, когда оксид серебра нагревается, очевидно, что полученные серебро и газообразный кислород были ранее частями материала оксида. Так, когда вода разлагается электричеством, условия эксперимента показывают, что полученные газообразные кислород и водород должны были произойти из материала воды и не могли произойти ни из чего другого.
Эксперименты теперь следует умножать до тех пор, пока у студента не сложится совершенно ясное представление о характере доказательств, на которых основывается наше знание состава тел. Разложение хлората калия при нагревании, дающее хлорид калия и газообразный кислород; разложение нитрата аммония при нагревании, дающее закись азота и воду; разложение этой полученной закиси азота при пропускании газа над нагретой металлической медью; и, наконец, уже упомянутое разложение воды электричеством — все это яркие эксперименты, с помощью которых можно подтвердить доказательства химического состава.
После того как различие между элементарными и сложными веществами было четко определено ходом рассуждений, уже изложенным в общих чертах, следующей целью должно стать обучение студента пониманию того, как анализируются вещества и как их состав выражается в процентах. Восстановление оксида меди водородом легко дает данные для определения состава воды, которая, таким образом, как показано, содержит в ста частях 11,11 процента водорода и 88,89 процента кислорода.
Еще одно вещество, анализ которого может быть очень легко выполнен студентом, — это карбонат магния. Путем прокаливания чистого карбоната магния в тигле (конечно, не «magnesia alba» из магазинов) можно легко определить пропорции углекислоты и магнезии. Затем, сжигая магниевую ленту и взвешивая продукт, студент легко находит относительный вес магния и кислорода в оксиде. И, наконец, пропорция углерода и кислорода в углекислом газе легко выводится из сжигания взвешенного количества углерода. Здесь результат может быть выражен либо в процентах оксида или магнезии и углекислого газа, либо в процентах элементарных веществ: углерода, магния и кислорода.
После выполнения нескольких подобных анализов студент будет готов понять реальное положение науки. Все известные вещества были проанализированы, а результаты сведены в таблицы, так что повторять эту работу нет необходимости, за исключением особых случаев.
Учитель теперь готов сделать очень важный шаг в развитии предмета. Если молекула — это просто маленькая частица вещества, в которой присущи качества этого вещества, то, конечно, следует, что состав молекулы такой же, как состав вещества. Процентные результаты анализа воды или карбоната магния указывают на состав молекулы воды или молекулы карбоната магния. Таким образом, 11,11 процента каждой молекулы воды состоит из водорода, а 88,89 процента — из кислорода. Отсюда следует, что в химическом процессе молекулы должны быть разделены, и эти элементарные части молекул, которые выявляет анализ, являются атомами химии. Более того, поскольку мы знаем веса молекул как физическими, так и химическими средствами, химический анализ теперь дает нам веса атомов. У нас нет времени останавливаться на деталях этого рассуждения, но общий курс, которому следует следовать, будет очевиден, и он должен быть подкреплен многочисленными примерами.
Предполагая, что студент полностью понимает различие между молекулами и атомами — то есть между физически наименьшими частицами и химически наименьшими частицами, — он готов освоить символическую номенклатуру химии с помощью нескольких слов объяснения. Начальные буквы латинских названий выбраны для обозначения атомов семидесяти известных элементарных веществ, и эти буквы означают определенные атомные веса, которые сведены в таблицы во всех учебниках химии. Символы атомов просто группируются вместе, образуя символы молекул различных веществ; количество атомов каждого вида, входящих в состав молекулы, обозначается нижним индексом. Наконец, чтобы представить химические процессы, символы молекул факторов записываются на одной стороне, а символы молекул продуктов — на другой стороне уравнения, причем количество молекул каждого участвующего вещества обозначается числовыми коэффициентами.
Атомные символы, как мы видели, означают определенные веса. Точно так же молекулярные символы означают определенные веса, которые являются суммами весов атомов, из которых состоит каждая молекула, и в каждом химическом уравнении веса молекул, представленных на одной стороне, должны обязательно равняться весам молекул, представленных на другой. Химический процесс состоит лишь в расщеплении определенных молекул и перегруппировке тех же составляющих атомов для образования новых молекул. Опять же, поскольку молекулярные символы представляют определенные веса, уравнение также указывает на то, что между различными факторами и продуктами представленного процесса сохраняется определенная пропорция по весу.
Опять же, поскольку каждый молекулярный символ представляет один и тот же объем, когда вещество находится в газообразном состоянии, отсюда следует, что относительные объемы газов пропорциональны количеству молекул газообразных веществ, участвующих в реакции. Именно так эти химические уравнения или реакции являются постоянным подтверждением трех великих фундаментальных законов химии.
Чтобы закрепить вышеуказанные принципы, теперь следует привести большое количество примеров, которые должны быть подобраны так, чтобы иллюстрировать знакомые и важные химические процессы, включая важнейшие явления горения. В каждом случае студент, проделав эксперимент, должен написать уравнение или реакцию, представляющую процесс, и его следует заставить решить достаточное количество стехиометрических задач, включающих как веса, так и объемы, чтобы дать ему полное овладение предметом. Такие вопросы, как эти, проверят полноту его знаний:
Почему символ воды H2O? Какую информацию дает символ CO2 относительно углекислого газа? Напишите реакцию соляной кислоты с карбонатом натрия и укажите, какую информацию дает уравнение относительно процесса, который оно представляет.
Конечно, такие вопросы можно значительно умножить, и я привожу эти три только для того, чтобы привлечь внимание к особенностям метода обучения, который я пытался проиллюстрировать.
Но помимо обучения общим принципам химической науки, важно дать студенту более или менее расширенное знание химических фактов и процессов — особенно таких, которые играют важную роль в повседневной жизни или в искусстве — и такие знания могут быть легко даны в этой связи. Дальше этого я не считаю желательным идти в элементарном курсе обучения. Путь, однако, теперь открыт к самым передовым областям науки. Сравнение символов и реакций ведет прямо к учению о квантивалентности и к результатам современной структурной химии, которые это учение влечет за собой. Среди этих результатов, конечно, много фантастического, но есть также очень большой пласт установленной истины; и если студент глубоко понимает символический язык химии и понимает факты, которые он фактически представляет, он сможет осознать, насколько это сейчас возможно, истины, лежащие в основе условных форм.
Изучение структуры молекул естественно ведет к изучению их стабильности и условий, определяющих химические изменения, и таким образом открывает недавно исследованную область термохимии. Быть способным предсказать порядок и результаты возможных условий ассоциации материалов или химических изменений при любых обстоятельствах — теперь высшая цель нашей науки, и мы уже достигли весьма значительного прогресса в этом направлении.
Но я слишком долго вас задерживал, и я должен отослать вас к «Новой химии» для более полного изложения этого предмета. Моя цель достигнута, если мне удалось прояснить вам, что возможно представить науку химию как систематический свод истин, независимый от массы деталей, которыми обычно обременена эта наука, и сделать это изучение ценнейшим средством тренировки способности к индуктивному мышлению, тем самым обеспечивая великую цель научной культуры.
XII.
«NOBLESSE OBLIGE».
В предыдущих эссе этого тома я искренне утверждал, что научная культура, правильно понятая, является подходящей основой для либерального (гуманитарного) образования; и я отстаивал этот тезис, никоим образом не пытаясь принизить ту литературную культуру, которая до сих пор так широко рассматривалась как единственная основа, на которой могут быть построены свободные искусства. Однако, хотя я и доказывал, что в нынешнем состоянии мира существует более чем одна основа истинной учености, я полностью признавал, что для подавляющего большинства ученых, включая всех тех, чья жизнь будет занята литературными занятиями, старая система образования по-прежнему остается лучшей. Более того, я старался указать на то, что научная культура никоим образом не конфликтует с литературной культурой; что у нее другой дух, другой метод и другая цель; и я рекомендовал ее только как подходящую для тех, кто отчетливо готовит себя к научной деятельности; но я утверждал, что для таких людей научные занятия, если им следовать правильно, могут привести к широкому, благородному и в истинном смысле либеральному образованию.
Я использовал термин «научная культура, правильно понятая», чтобы обозначить различие; потому что многое из того, что выдается за научную ученость в мире, не подразумевает истинной научной культуры. Во всех областях знаний, и не в меньшей степени в научных, чем в литературных, эрудиция не обязательно подразумевает высокую степень культуры. Мы все ценим труды лексикографа, и эта работа может быть выполнена так, что потребует высочайших интеллектуальных способностей; но существует более высокая форма литературной культуры, чем та, которую обычно подразумевает составление словарей. Так же и в науке: никакое количество книжных знаний не составляет того, что мы назвали научной культурой, правильно понятой. Например, способность сдать экзамен по фактам и принципам науки вовсе не является проверкой той формы культуры, которую мы отстаиваем. Не то чтобы мы недооценивали ценность таких проверок или знаний, которые они подразумевают; но способность освоить предмет, как он представлен в учебнике, и изложить эти знания в краткой и точной форме — это нормальный результат литературной, а не научной культуры. Способность сделать что-то хорошо заложена в самой идее культуры, и ученый, который может успешно сдать письменный экзамен, приобрел силу, которую дает главным образом литературная культура, и то, что эта сила может быть применена к научным, так же как и к литературным предметам, очевидно. Здесь кроется важнейшее различие в связи с нашим предметом. Культура подразумевает приобретение некоторой силы ума в выдающейся степени, и такая сила постоянно ассоциируется с эрудицией просто потому, что она ведет к эрудиции. Но когда мы видим эрудицию без такой силы, как мы часто видим в каждой области учености, мы сразу понимаем, на каком гораздо более низком уровне она стоит. Какие разные вещи — классическая ученость и классическая эрудиция; и не является ли сила, которой обладают великие классические ученые в интерпретации мыслей классических авторов и в воспроизведении их жизни, великим элементом различия между ними?
Так и научная культура подразумевает способность интерпретировать природу, наблюдать ее явления и исследовать ее законы. Ученый, для которого природа представляет лишь упорядоченную последовательность фактов и явлений, ничего не знает об истинной научной культуре. Как существует дух в великих писателях классической древности, который облагораживает изучение форм, в которых выражались мысли этих авторов, так же существует дух в природе, без которого факты и явления, как бы хорошо они ни были классифицированы, не создают интеллектуального возвышения. Последнее столетие мировой истории было отмечено, больше чем чем-либо другим, увеличением наших знаний о природе, и оно будет известно в истории как век великих открытий; но, как бы ценны ни были факты и принципы науки, как бы сильно они ни способствовали благополучию человечества, и как бы важно, следовательно, ни было знание этих фактов и принципов для человека, тем не менее я никогда не стал бы настаивать на притязаниях физической науки как основы либерального образования, если бы их нельзя было защитить на иных основаниях, кроме этих. Здесь, как и везде, «дух животворит»; и способность интерпретировать природу и общаться с разумом, который управляет вселенной, — это то единственное приобретение, которое превыше всех других придает ценность и достоинство той форме культуры, которую мы старались отстаивать в этих эссе.
Те, кто рассматривает науку просто как утилитаризм и кто ценит научные занятия исключительно потому, что они учат людей строить железные дороги, исследовать шахты, извлекать полезные металлы из руд или увеличивать урожайность сельского хозяйства, имеют еще более несовершенное представление о том, что подразумевается под научной культурой, чем те, для кого наука — лишь ценная эрудиция. Это правда, что физику и химию можно изучать как искусства, а не как науки, и у нас нет желания недооценивать важность такого технического образования; но разница между двумя способами изучения так же велика, как разница между ремесленником и ученым. Утверждая это, мы не забываем, что занятия инженера, электрика и химика-аналитика требуют очень большого количества знаний, суждений и навыков и по праву считаются учеными профессиями. Но пусть не предполагается, что мастерство в таких профессиях является целью или задачей научной культуры, так же как юридическое мастерство не является целью или задачей литературной культуры. Если литературные ученые рассматривают изучение науки исключительно с этой точки зрения, неудивительно, что они думают, что тон учености был бы понижен, если бы он основывался исключительно на такой утилитарной базе; и, с другой стороны, если бы они могли однажды осознать возвышенность природы, как осознавали ее Коперник, Ньютон, Фарадей и бесчисленные другие, этот страх, что преданность науке должна принизить ученость, исчез бы.
Мы прекрасно осознаем, что практические люди часто смотрят с нескрываемым презрением на студентов теоретической науки и что большинство лиц, ищущих научного образования, должны искать работу в практических профессиях, в которых этот тон слишком часто преобладает. Но, безусловно, узкий технический дух преобладает довольно часто и в профессиях, в которых главным образом находят работу литературные ученые; и новые научные профессии даже более тесно зависят от обсуждения теоретических и абстрактных принципов, чем те, которые до сих пор исключительно рассматривались как либеральные. Это признанный факт, как мы показали в другом месте, что все великие достижения в практической науке, все великие изобретения, которые за последнее столетие так удивительно увеличили власть человека над природой, могут быть прослежены непосредственно к результатам теоретического изучения. По этой причине, если не на более высоком основании, мы утверждали, что в интересах и в обязанности государства поощрять и вознаграждать научные исследования. Время недалеко, если оно уже не наступило, когда научная культура народа будет одним из главных факторов в определении его положения среди наций мира.