НАУЧНАЯ КУЛЬТУРА,
И ДРУГИЕ ЭССЕ.
ДЖОЗАЙЯ ПАРСОНС КУК, ДОКТОР ПРАВА, ПРОФЕССОР ХИМИИ И МИНЕРАЛОГИИ В ГАРВАРДСКОМ КОЛЛЕДЖЕ.
ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ; С ДОПОЛНЕНИЯМИ.
НЬЮ-ЙОРК: D. APPLETON AND COMPANY, 1, 3 и 5 БОНД-СТРИТ. 1885.
Авторское право, 1881, 1885, Джозайя Парсонс Кук.
МОИМ КОЛЛЕГАМ ПО ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ГАРВАРДСКОГО КОЛЛЕДЖА ЭТОТ ТОМ ПОСВЯЩАЕТСЯ С ЛЮБОВЬЮ.
ПРЕДИСЛОВИЕ.
Эссе, собранные в этом томе, хотя и были написаны для особых случаев без связи друг с другом, все они имеют отношение к теме, выбранной в качестве названия тома, и являются результатом довольно обширного опыта преподавания физических наук студентам колледжа. Тридцать лет назад, когда автор начал свою работу в Кембридже, обучение экспериментальным наукам в наших американских колледжах велось исключительно посредством лекций и повторений пройденного. Химии и физике отводилось ограниченное место в учебной программе колледжа как отраслям полезных знаний, но они рассматривались как полностью подчиненные классическим дисциплинам и математике в качестве средства образования; и, учитывая то, как тогда преподавались физические науки, не может быть сомнений в том, что принятое мнение было верным. Экспериментальная наука никогда не сможет стать ценным средством образования, если ее не преподавать собственными методами, имея перед собой одну великую цель — тренировать способности ума так, чтобы дать возможность образованному человеку самостоятельно читать Книгу Природы.
С того периода, о котором только что шла речь, пример, поданный ранее в Кембридже — сделать собственные наблюдения студента в лаборатории или кабинете основой всего обучения, будь то в экспериментальной науке или естественной истории, — получил всеобщее распространение. Однако в большинстве образовательных центров старые традиции сохранились настолько, что великая цель научной культуры теряется в попытках привести даже лабораторное обучение в соответствие со старыми академическими методами повторений и экзаменов. Они, как правило, являются просто помехами в курсе научного обучения, поскольку не служат проверкой той единственной способности или навыка, которые ценит наука, и поэтому ставят перед студентом ложную цель. Указать на эту ошибку и потребовать для преподавания науки соответствующих методов — такова была одна из целей автора в этих эссе.
Однако слишком часто бывает так, что, следуя нашим теориям образования, мы избегаем Сциллы только для того, чтобы столкнуться с Харибдой, и поэтому при специализации наших курсов лабораторного обучения существует большая опасность впасть в механическую рутину технического ремесла и упустить из виду те великие идеи и обобщения, которые придают широту и достоинство научному знанию. То, что эти великие истины являются столь же важным элементом научной культуры, как и экспериментальное мастерство, автор также попытался проиллюстрировать, и он добавил краткие заметки о жизни двух благородных людей науки, которые могут придать иллюстрациям убедительности.
СОДЕРЖАНИЕ.
PAGE I.—Scientific Culture5 II.—The Nobility of Knowledge45 III.—The Elementary Teaching of Physical Science71 IV.—The Radiometer86 V.—Memoir of Thomas Graham127 VI.—Memoir of William Hallowes Miller145 VII.—William Barton Rogers160 VIII.—Jean-Baptiste-André Dumas181 IX.—The Greek Question203 X.—Further Remarks on the Greek Question214 XI.—Scientific Culture; its Spirit, its Aim, and its Methods 227 XII.—"Noblesse Oblige"267 XIII.—The Spiritual Life289
ЭССЕ.
I.
НАУЧНАЯ КУЛЬТУРА.
Речь, произнесенная 7 июля 1875 года на открытии летних курсов обучения химии в Гарвардском университете.
Вы собрались сегодня утром, чтобы начать различные элементарные курсы обучения химии и минералогии. Насколько мне известно, большинство из вас являются преподавателями по профессии, и ваша главная цель — познакомиться с экспериментальными методами преподавания физической науки и получить преимущества в изучении, которые может предоставить обширный аппарат этого университета.
Во всем этом, я надеюсь, вы не будете разочарованы. Вы, как преподаватели, прекрасно знаете, что успех должен зависеть, прежде всего, от ваших собственных усилий; но, поскольку методы изучения Природы так сильно отличаются от тех, с которыми вы знакомы по литературным занятиям, я чувствую, что лучшая услуга, которую я могу оказать в этой вступительной речи, — это как можно яснее изложить великие цели, которые следует иметь в виду на курсах, к которым вы сейчас приступаете.
Самим своим посещением этих курсов вы дали самое убедительное доказательство того, что цените значение химических исследований как части системы образования, и позвольте мне сказать, прежде всего, что вы не переоценили их важность. Элементарные принципы и наиболее заметные факты химии настолько тесно связаны с опытом повседневной жизни и находят такое важное применение в полезных искусствах, что ни один человек в наши дни не может считаться образованным, если он их не знает. Не знать, почему горит огонь или как торговля серой влияет на мировую промышленность, будет рассматриваться поколением людей, среди которых вашим ученикам предстоит занять свое место в обществе, как больший признак невежества, чем ложная долгота в латинской просодии или грамматическая ошибка.
Более того, мне не нужно говорить вам, что физическая наука стала великой силой в мире. Действительно, после религии это величайшая сила нашей современной цивилизации. Подумайте, сколько она сделала за последнее столетие для увеличения комфорта и расширения интеллектуального кругозора человечества. Железная дорога, пароход, электрический телеграф, фотография, газовое освещение, нефтяные масла, каменноугольные красители, хлорное отбеливание, анестезия — вот лишь некоторые из ее недавних материальных даров миру; и она не только заставила одну пару рук выполнять работу двадцати, но и настолько улучшила и облегчила старые производства, что то, что было роскошью для отцов нашей республики, стало необходимостью для нашего поколения.
И когда, переходя от этих материальных плодов, вы рассматриваете чисто интеллектуальные триумфы физической науки, такие как те, что были достигнуты с помощью телескопа, микроскопа и спектроскопа, вы не можете не удивляться тому уважению, которым пользуются эти отрасли знаний в наш практический век.
Эти огромные результаты были достигнуты благодаря применению к изучению Природы метода, который был так замечательно описан лордом Бэконом в его «Novum Organon» и который сейчас обычно называют экспериментальным методом. То, что мы наблюдаем в Природе, — это упорядоченная последовательность явлений. Древние размышляли об этих явлениях так же, как и мы, но они довольствовались умозрениями, одушевляя Природу продуктами своих диких фантазий. Их великий учитель, Аристотель, никогда не был превзойден в искусстве диалектики; но его метод логики, примененный к внешнему миру, по самой своей необходимости был полным провалом. Часто говорят в защиту исключительного изучения записей древней учености, что они являются продуктами мыслящих, любящих и ненавидящих людей, таких же, как мы, и утверждается, что изучение науки никогда не сможет подняться до той же благородности, потому что оно имеет дело только с безжизненной материей. Но это просто игра слов, повторение ошибки старых схоластов.
Физическая наука благородна, потому что она имеет дело с мыслью, и с самой благородной из всех мыслей. Природа одновременно проявляет и скрывает Бесконечное Присутствие: ее методы и упорядоченные последовательности являются проявлениями Всемогущей Воли; ее изобретения и законы — воплощением Всеведущей Мысли. Ученики Аристотеля так явно потерпели неудачу просто потому, что могли видеть в Природе лишь отражение своих праздных фантазий. Последователи Бэкона так славно преуспели потому, что подходили к Природе как смиренные ученики и, научившись сначала тому, как вопрошать ее, довольствовались тем, что их учат, и не стремились учить сами. Древняя логика никогда не облегчила ни мгновения боли и не сняла ни унции бремени человеческих страданий. Современная логика сделала очень большую долю материального комфорта общим достоянием всех цивилизованных людей.
В чем же тогда состоит эта бэконовская система? Просто в этих элементах: 1. Тщательное наблюдение условий, при которых происходит данное явление; 2. Изменение этих условий посредством экспериментов и наблюдение эффектов, вызванных этим изменением. Таким образом, мы обнаруживаем, что некоторые условия являются лишь случайными обстоятельствами, не имеющими необходимой связи с явлением, в то время как другие являются его неизменным предшественником. Открыв теперь истинные отношения явления, которое мы изучаем, счастливая догадка, подсказанная, вероятно, аналогией, дает нам ключ к реальным причинам, от которых оно зависит. Затем мы проверяем нашу догадку дальнейшими экспериментами. Если наша гипотеза верна, то должно следовать то или иное; и если во всех пунктах теория подтверждается, мы открыли закон, который искали. Если же эти необходимые выводы не реализуются, то мы должны отказаться от нашей гипотезы, сделать другую догадку и проверить ее в свою очередь. Позвольте мне проиллюстрировать это двумя хорошо известными примерами:
Принцип, который в старину был общепринятым, а именно, что все живые организмы размножаются семенами или зародышами (omnia ex ovo), был серьезно поставлен под сомнение современной школой натуралистов. Различные наблюдатели утверждали, что существуют условия, при которых низшие формы органической жизни развиваются независимо от всех таких вспомогательных средств, но другие, столь же компетентные натуралисты, которые пытались исследовать этот предмет, получили противоречивые результаты.
Так, было замечено, что некоторые низшие формы жизни довольно постоянно развивались в мясном соке, который был тщательно приготовлен и герметично запечатан в стеклянных колбах, даже после того, как эти колбы подвергались в течение длительного времени воздействию температуры кипящей воды. «Вот, — провозглашает новая школа, — неоспоримое доказательство самозарождения; ибо, если прошлый опыт хоть что-то значит, все зародыши должны были быть убиты кипящей водой». «Нет, — отвечают более осторожные натуралисты, — вы еще не доказали свою точку зрения. У вас нет права предполагать, что все зародыши погибают при этой температуре».
Эксперименты, следовательно, были повторены при различных условиях и при разных температурах, но с неудовлетворительными результатами, пока Пастер, выдающийся французский физик, не разработал очень простой способ проверки этого вопроса. Он рассуждал так: «Если, как принято считать, присутствие невидимых спор в воздухе является существенным условием развития этих низших организмов, то их появление должно быть пропорционально обилию этих спор. Вблизи жилищ животных и растений, где, как известно, спор в изобилии, развитие должно быть естественным образом максимальным, и мы должны ожидать, что рост будет уменьшаться по мере того, как микроскоп будет показывать уменьшение количества спор в атмосфере».
Соответственно, Пастер выбрал регион в горах Юра, подходящий для его целей, и повторил хорошо известный эксперимент с мясным соком, сначала в гостинице города у подножия гор, а затем на различных высотах, вплоть до голых скал, покрывающих вершину хребта, на высоте около восьми тысяч футов. В каждой точке он запечатывал мясной сок в большое количество колб и наблюдал за результатом. Он обнаружил, что, хотя в городе анималькули развивались почти во всех колбах, они появлялись только в двух или трех случаях из ста, когда колбы были запечатаны на вершине горы, и в пропорциональной степени в тех, что были запечатаны на промежуточных высотах. Что же доказали эти эксперименты? Просто то, что развитие этих органических форм находилось в прямой зависимости от количества зародышей в воздухе. Это не решило вопрос о самозарождении, но показало, что из экспериментов, которые приводились в качестве доказательства, были сделаны ложные выводы.
Еще более яркую иллюстрацию того же метода вопрошания Природы можно найти в исследовании сэра Гемфри Дэви о составе воды. Вольтов столб, который приводит в действие наши телеграфы, был изобретен Вольта в 1800 году; и позже, в том же году, в Лондоне Николсоном и Карлайлом было обнаружено, что этот замечательный инструмент обладает способностью разлагать воду. Эти физики сразу же признали, что основными продуктами действия батареи на воду являются водород и кислород, тем самым подтвердив результаты Кавендиша, который в 1781 году получил воду путем соединения этих элементарных веществ; кислород был открыт ранее в 1775 году, а водород — по крайней мере, еще в 1766 году. Однако очень скоро было также замечено, что при действии батареи на воду, помимо этих газообразных продуктов, всегда образуются щелочь и кислота, причем щелочь собирается вокруг отрицательного полюса, а кислота — вокруг положительного полюса электрического соединения. Относительно природы этой кислоты и щелочи среди первых экспериментаторов по этому вопросу существовало величайшее расхождение во мнениях. Крукшенк предполагал, что кислота — это азотистая кислота, а щелочь — аммиак. Дезорм, французский химик, пытался доказать, что кислота — это соляная кислота; в то время как Бруньятелли утверждал, что образуется новая и своеобразная кислота, которую он назвал электрической кислотой.
Именно в таком состоянии вопроса сэр Гемфри Дэви начал свое исследование. Исходя из аналогий химической науки, а также из предыдущих экспериментов Кавендиша и Лавуазье, он был убежден, что вода состоит исключительно из кислорода и водорода, а кислота и щелочь являются лишь случайными продуктами. Это мнение, несомненно, было хорошо обосновано; но, будучи великим учеником Бэкона, Дэви чувствовал, что его мнение ничего не стоит, если оно не подтверждено экспериментальными доказательствами, и поэтому он принялся за работу, чтобы получить требуемое доказательство.
В первых экспериментах Дэви две стеклянные трубки, которые он использовал для содержания воды, были соединены животной мембраной, и он обнаружил, погрузив полюса своей батареи в соответствующие трубки, что, помимо теперь хорошо известных газов, в одной трубке действительно образовалась соляная кислота, а в другой — фиксированная щелочь. Дэви, однако, сразу же заподозрил, что кислота и щелочь произошли от поваренной соли, содержащейся в животной мембране, и поэтому он отказался от этого материала и соединил стеклянные трубки тщательно промытым хлопковым волокном, когда, подвергнув воду, как и прежде, действию вольтова тока и продолжая эксперимент в течение длительного времени, никакой соляной кислоты не появилось; но он все еще обнаруживал, что вода в одной трубке была сильно щелочной, а в другой — сильно кислой, хотя кислота была, по крайней мере, главным образом азотистой. Часть кислоты, очевидно, происходила из животной мембраны, но не вся, и источник щелочи был столь же неясен, как и прежде.
Затем Дэви сделал еще одну догадку. Он знал, что щелочь используется в производстве стекла; и ему пришло в голову, что стекло трубок, разлагаемое электрическим током, может быть источником щелочи в его экспериментах. Поэтому он заменил стеклянные трубки чашками из агата, который не содержит щелочи, и повторил эксперимент, но все же появилась досадная кислота и щелочь. Тем не менее, сказал он, возможно, что эти продукты могут происходить из каких-то примесей, существующих в агатовых чашках или прилипших к ним; и поэтому, чтобы сделать свои эксперименты как можно более точными, он отказался от агатовых сосудов и приобрел две конические чашки из чистого золота, но при повторении экспериментов кислота и щелочь снова появились.
А теперь позвольте мне спросить, кто из нас не пришел бы на этой стадии исследования к выводу, что кислота и щелочь являются существенными продуктами разложения воды? Но только не Дэви. Он прекрасно знал, что не все обстоятельства его экспериментов были проверены, и пока это не было сделано, он не имел права делать такой вывод. Затем он обратился к воде, которую использовал. Это была дистиллированная вода, которую он считал чистой, но все же, сказал он, возможно, что примеси родниковой воды могут в некоторой степени переноситься паром в процессе дистилляции и поэтому могут присутствовать в моей дистиллированной воде в количестве, достаточном для возникновения трудности. Соответственно, он выпарил кварту этой воды в серебряной чаше и получил семь десятых грана сухого остатка. Затем он добавил этот остаток к небольшому количеству воды в золотых конусах и снова повторил эксперимент. Пропорция щелочи и кислоты заметно увеличилась.
Вы думаете, он наконец нашел источник кислоты и щелочи в примесях воды. Так думал и Дэви, но он был слишком верным учеником Бэкона, чтобы оставить этот логичный вывод непроверенным. Соответственно, он многократно перегонял воду из серебряного перегонного куба, пока она не оставляла абсолютно никакого остатка при выпаривании, а затем с водой, которую он знал как чистую, и содержащейся в сосудах из золота, от которых, как он знал, она не могла получить никакого загрязнения, он снова повторил уже хорошо проверенный эксперимент. Он окунул свою лакмусовую бумажку в сосуд, соединенный с положительным полюсом, и вода все еще была решительно кислой. Он окунул бумажку в сосуд, соединенный с отрицательным полюсом, и вода все еще была щелочной.
Вы могли бы подумать, что Дэви здесь пал бы духом. Но ничуть не бывало. Путь к великим истинам, которые скрывает Природа, часто ведет через гораздо более густой и запутанный лес, чем этот; но ведь нередко на деревьях есть «затесы», которые указывают путь, хотя для того, чтобы увидеть эти знаки, может потребоваться острый глаз и ясная голова. И Дэви был достаточно хорошо обучен, чтобы заметить обстоятельство, которое показало, что он теперь на верном пути и направляется прямо к цели.
Исследуя щелочь, образовавшуюся в этом последнем эксперименте, он обнаружил, что это не фиксированная щелочь, сода или поташ, как прежде, а летучая щелочь аммиак. Очевидно, фиксированная щелочь происходила из примесей воды, и когда при повторении эксперимента с чистой водой в агатовых чашках или стеклянных трубках последовали те же результаты, он почувствовал уверенность, что по крайней мере это было установлено. Однако оставалось еще объяснить образование летучей щелочи и азотистой кислоты. Поскольку они содержат только элементы воздуха и воды, Дэви подумал, что, возможно, они могут образовываться путем соединения водорода на одном полюсе и кислорода на другом с азотом воздуха, который неизбежно был растворен в воде. Поэтому, чтобы исключить влияние воздуха, он снова повторил эксперимент под приемником воздушного насоса, из которого была откачана атмосфера, но кислота и щелочь все равно появились в двух чашках.