Материя, вещество, молекула — фундаментальные физические понятия. Они открывают двери в удивительный мир естественных наук.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №9(25). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Многие научные идеи пришли к нам из Древней Греции. Например, Аристотель полагал, что материя — это простая система из четырёх первоначал — огня, воды, воздуха и земли. Отдельно философ упоминал об их свойствах — теплоте, холоде, сухости и влажности. Кажется, ничего сложного в идеях Аристотеля не было. Но его соотечественник Фалес предложил более простую концепцию: всё — даже огонь! — состоит исключительно из воды разной плотности. Прогрессивнее мыслил Левкипп и его знаменитый ученик Демокрит. Они предположили, что материю нельзя делить бесконечно: мельчайшей частицей всего является атом (неделимый). По мнению Демокрита, всё (и воздух, и земля, и вода, и огонь) состоит из неделимых мельчайших шарообразных частиц. Трудно представить, что за несколько столетий до нашей эры, без микроскопов и другой техники, философы смогли достоверно предсказать строение материи. 

Более того, Демокрит утверждал, что атомы могут быть разных размеров, массы и даже формы, а сложные комбинации атомов создают всё разнообразие веществ в мире. Так родилась удивительная атомистическая гипотеза строения материи, у которой оказался один принципиальный противник… Аристотель! «Природа не терпит пустоты», — утверждал философ, оспаривая атомистические идеи о вакууме между мельчайшими частицами материи. Авторитет величайшего мыслителя сделал своё дело: много веков концепцию не принимали всерьёз.

Впрочем, даже в начале XX века учёный с мировым именем Вильгельм Оствальд не верил в атомистическое строение материи. «То, что мы называем материей,— говорил он,— является лишь совокупностью энергий, собранной воедино в данном месте».

Запомните эту дату — 1687 год. Именно тогда Королевское общество опубликовало величайшую книгу в истории физики «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) под авторством великого Исаака Ньютона. Одним из важных определений в этом труде стало «масса» («Количество материи — есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и её объёму»). Ньютон связывает законы механики с атомистическим строением материи, убеждая читателя — чем больше в теле атомов, тем больше его масса. 

Механистический взгляд на материю дополнил первый русский учёный- естествоиспытатель Михаил Ломоносов. Он экспериментальным путём измерил атом. Для этого учёный раскатывал лист золота до толщины 1/15552 линии (одна линия равна 2,5 мм). По мнению Ломоносова, эта величина как раз и равнялась размеру одного атома. Так, одна песчинка золота диаметром 0,1 линии (0,25 мм) должна содержать 3 761 479 876 атомов. Конечно, расчёт был крайне неточен: количество атомов оказалось занижено как минимум на восемь порядков (108)!

Также Ломоносов совершил маленькую науч­ную революцию, открыв новую форму движения материи — тепловую. Учёный доказал, что причина нагрева веществ лежит в увеличении скорости движения част­иц. Чем быстрее движение частиц материи, тем она горячее.

В современном естествознании выделяют три типа материи: вещество, физическое поле и физический вакуум. Однако химики, отождествляя материю и вещество, могут заметить, что сущест­вуют газы, твёрдые и жидкие вещества, плазма, неоднозначное по своей структуре стекло и удивительные жидкие кристаллы. Классическое же понимание вещества гласит, что это основной вид материи, обладающий массой.

История химии наглядно показывает эволюцию понятия «вещество». С открытием элементов оказалось, что окружающий мир делится на простые и сложные вещества. Одним из первых об этом сказал Роберт Бойль в книге «Химик-скептик» в 1661 году — да, эту дату тоже стоить запомнить, так как этот труд считается первым научным трактатом по химии. Анг­лийский учёный Джон Дальтон пошёл дальше и связал строение химических веществ с атомной теорией строения материи. На основе экспериментов он создал первую таблицу атомных масс известных на тот момент элементов и доказал, что элементы соединяются друг с другом в разных пропорциях (закон кратных отношений) и образуют вещества. К концу XIX века было известно порядка 70 элементов, и навести порядок в этом разнообразии удалось Дмитрию Ивановичу Менделееву. Сформулированный им в 1869 году закон показал периодическую зависимость свойств элементов от строения ядра атома (Периодический закон).

В 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал хаотическое движение пыльцевых зёрен в растительном соке. Казалось бы, какое отношение это имеет к материи и веществу? Однако, названное по фамилии первооткрывателя броуновское движение, имело важнейшее значение в доказательстве существования молекулы как единицы вещества. Долгое время не было внятного объяснения открытия Броуна, пока за дело не взялся Альберт Эйнштейн. В 1905 году учёный доказал, что частички пыльцы движутся в разные стороны из-за столк­новений с молекулами жидкости, в которой они плавают. Свои мысли будущий Нобелевский лауреат выразил в публикации «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» —это была его одна из первых серьёзных научных работ. 

Однако такие теоретичес­кие рассуждения требовали доказательства на практике. С 1908 по 1913 годы французский физик Жан-Батист Перрен в ходе кропотливых экспериментов доказал существование молекул — наимень­ших частиц вещества, обладающих его основными химическими свойст­вами. Для этого он выделил с помощью центрифуги чистый экстракт жевательной смолы (гуммигута). Поведение частиц смолы на поверхности жидкости полностью соответствовало математическим расчётам Эйнштейна. Но на этом Перрен не остановился — он поместил гуммигут в воду и наблюдал в течение нескольких месяцев за осаждением частиц в полученной суспензии. В итоге в суспензии установилось равновесие: в направлении от нижних слоёв жидкости к верхним концентрация частиц уменьшалась. Это снова подтвердило существование молекул. Столь кропотливая и важная работа не осталась незамеченной. Жан-Батист Перрен в 1926 году получил Нобелевскую премию по физике «за работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия».

Историю материи, вещества и молекулы нельзя назвать законченной, пока не найдены все существующие мельчайшие частицы, пока не синтезированы все возможные элементы и пока живёт в человеке стремление познавать непознанное.