Одной из характернейших черт естествознания XVIII века было пользовавшееся всеобщим распространением убеждение о существовании в природе множества таинственных и непостижимых материй, или «флюидов», которых было нельзя ни взвесить, ни уловить, ни удержать в какой-либо оболочке. Их называли «невесомыми» и «неукротимыми». Они приходили и уходили неведомыми путями, распространялись и «перетекали» от предмета к предмету. От их простого присутствия зависело появление теплоты, света, электричества, магнетизма. Ученые яростно спорили, совпадает ли «световая материя» с «огненной», а «материя тепла» с флогистоном, присутствующим при химических процессах.

Физики и химики XVIII века представляли себе материю в отрыве от движения. Явления, вызванные движением собственных частиц самой материи, объяснялись существованием таких особых невесомых материй, или «субстанций», которые, по выражению Ломоносова, «скитались без малейшей вероятной причины».

Это метафизическое отношение к природе тяготело над естествознанием не только во времена Ломоносова. Выпущенный в 1830 году в Лейпциге в «заново переработанном виде» известный «Физический словарь» Гелера содержал особую статью о невесомых, содержащую глубокомысленные рассуждения о том, что, по всей вероятности, вряд ли можно рассчитывать на то, что когда-либо будет найдена такая оболочка, в которой они могли бы находиться долгое время.

«Положительные науки, — писал А. И. Герцен в своих «Письмах об изучении природы», — имеют свои маленькие привиденьица: это — силы, отвлеченные от действий, свойства, принятые за самый предмет, и вообще разные кумиры, сотворенные из всякого понятия, которое еще не понятно»[51]. Прекрасным примером чего и являются, по его словам, невесомые, которых никто не видел и не получил «вне тел». Герцен указывал на тлетворное влияние самого метода познания, оперирующего подобными метафизическими представлениями. «Эта метода делает страшный вред учащимся, давая им слова вместо понятий, убивая в них вопрос ложным удовлетворением. «Что есть электричество?» — Невесомая жидкость. Не правда ли, что лучше было бы если б ученик отвечал: — не знаю?..»[52].

Ломоносов познакомился с теорией теплорода еще за границей. Христиан Вольф разделял эту теорию и пропагандировал ее в своих книгах. Но она не отвечала материалистическим устремлениям молодого Ломоносова, которому претила всякая метафизика. И вскоре же после своего возвращения из-за границы Ломоносов приступает к разработке своей теории теплоты, которая решительным образом расходилась с господствующими в его время представлениями.

В диссертации «О нечувствительных физических частичках» он выдвинул положение, что теплота состоит «во внутреннем движении собственной материи», причем разные степени теплоты определяются скоростью ее движения. И далее: «как никакому движению нельзя приписать высшую степень скорости, так нет и высшей степени теплоты. Величайший холод в теле — абсолютный покой; если есть хоть где-либо малейшее движение, то имеется и теплота». Ломоносов таким образом сформулировал положение об абсолютном нуле температуры.

Свои положения Ломоносов развил в стройную теорию в «Рассуждении о причине теплоты и холода», представленном им в 1744 году и напечатанном на латинском языке в первом томе «Новых Комментариев» Петербургской Академии наук в 1750 году. «В наше время, — говорит он, — причина теплоты приписывается особой материи, называемой большинством теплотворной, другими эфирной, а некоторыми элементарным огнем… И хорошо, если бы еще учили, что теплота тела увеличивается с усилением движения этой материи, когда-то вошедшей в нее, но считают истинной причиною увеличения или уменьшения теплоты простой приход или уход разных количеств ее. Это мнение в умах многих пустило такие могучие побеги и настолько укоренилось, что можно прочитать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы притягиваемой каким-то любовным напитком, и наоборот, — о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом». Ломоносов убедительно доказывал, что нет никакой нужды привлекать для объяснения тепловых явлений таинственный «теплотвор» или «теплород». «Имеется достаточное основание теплоты в движении». То, что это движение не воспринимается зрением, не имеет значения. Оно ускользает от зрения, так как частицы движущейся материи слишком малы: «Кто в самом деле будет отрицать, что когда через лес проносится сильный ветер, — то листья и сучки дерев колышутся, хотя бы при рассматривании издали глаз не видел движения». Но метафизические представления о теплороде прочно засели в умах западноевропейских ученых, став тормозом для развития правильного понимания тепловых процессов в природе и технике[53].

Теплород пережил флогистон на много десятилетий. Его приверженцы продержались до самой середины XIX века. Их не смутило ни изобретение паровой машины, ни открытие железных дорог.

Сокрушительная критика теплорода, данная Ломоносовым, не прошла бесследно для науки. Она, несомненно, содействовала падению авторитета флогистона, этого близкого родственника теплорода, а многими даже отождествлявшегося с ним.

Опираясь на свою атомно-молекулярную теорию, Ломоносов прокладывал новые пути в физике и химии. В доложенной им еще в феврале 1749 года диссертации «Попытка теории упругой силы воздуха» Ломоносов связывает свои атомистические представления с разрабатываемой им теорией теплоты как движения частиц. Упругой силой воздуха Ломоносов называет стремление воздуха распространяться во все стороны. Он полагает, что это свойство проявляют не единичные частички, а их совокупность. Ломоносов развивает гениальную теорию о мгновенном и непосредственном взаимодействии частиц воздуха, обусловленном теплотою. Ломоносов убежден, что одно тело не может действовать на другое без соприкосновения. Но в то же время несомненно, что атомы воздуха находятся далеко один от другого, так как воздух может быть значительно сжат в своем объеме под давлением. Это противоречие может быть устранено только допущением, что не все атомы находятся одновременно в одном и том же состоянии. «Очевидно, — пишет Ломоносов, — что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими в нечувствительные моменты времени, и когда они находятся в соприкосновении, вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны». Эта замечательная картина состояния частичек ^; воздуха, обусловленного их тепловым состоянием, в основном совпадает с принятой лишь в середине XIX века «кинетической теорией» газов.

Свое понимание теплоты Ломоносов стремился связать с экспериментальными наблюдениями. В заметках к исследованию «О твердом и жидком», составленных в начале 1760 года, он упоминает свои «опыты к произведению искусственного холода», сделанные им еще в 1747 году. Поэтому его живо заинтересовали наблюдения академика И. А. Брауна, которому в декабре 1759 года удалось заморозить ртуть. Ломоносов сразу оценил значение этого открытия, так как в науке еще держались старые представления об «особых свойствах» ртути, к числу которых относилась и абсолютная незамерзаемость.

Браун охотно принял предложение Ломоносова производить опыты сообща. 26 декабря, когда мороз достиг очень большой силы (–41,3⁰ по шкале нашего времени), Ломоносов погрузил ртутный термометр в «холодильную смесь» из снега, «крепкой водки» (азотной кислоты) и «купоросного масла» (серной кислоты). «Не сомневаясь, что она уже замерзла, — описывает этот опыт Ломоносов, — вскоре ударил я по шарику медным при том бывшим циркулом, отчего тотчас стеклянная скорлупа расшиблась и от ртутной пули отскочила, которая осталась с хвостиком бывшим в трубке термометра достальныя ртути, наподобие чистой серебряной проволоки… Ударив по ртутной пуле после того обухом, почувствовал я, что она имеет твердость, как свинец или олово».