Родоначальник античной науки, древнегреческий философ Фалес (около 625 - около 547 до н. э.), такой первоосновой считал воду. Уплотняясь, она образует твёрдые тела, испаряясь - воздух. Всё произошло из воды, говорил Фалес, и Земля плавает на воде, подобно куску дерева.
Впоследствии Эмпедокл из Агригента (около 490 - около 430 до н. э.) довёл количество элементов, являющихся первоначалами мира, до четырёх. При горении дерева, рассуждал он, сначала поднимается дым (воздух), а затем возникает пламя (огонь). При этом на холодной поверхности, оказавшейся рядом с пламенем, образуется влага (вода), а после сгорания дерева остаётся зола (земля). И потому основными элементами мира (или «корнями», как он их называл) следует считать огонь, воздух, воду и землю. К ним Эмпедокл добавил два «возбудителя движения» - любовь, стремящуюся соединить разнородные элементы, и вражду, разделяющую их.
Не всех удовлетворяло сведение всего существующего к проявлению четырёх стихий. Является ли образующая мир материя непрерывной? Существует ли пустота, где нет никакой материи? Не состоят ли и эти четыре стихии из каких-то первичных сущностей? Что получится, если делить, например, ту же воду на всё более и более мелкие капли? Будет ли такое деление бесконечным или, дойдя до какой-либо мельчайшей частицы, мы уже не сможем далее продолжить его? Над этими вопросами размышляло не одно поколение философов.
В V в. до н. э. древнегреческим учёным Левкиппом. а затем его учеником из города Абдера (Фракия) Демокритом (около 460 - 371 до н. э.) была выдвинута атомистическая гипотеза. В соответствии с ней всё в мире состоит из атомов, различающихся своей формой, порядком и ориентацией в теле; между атомами находится пустота.
По легенде, идея о существовании атомов возникла у её автора, когда он разрезал яблоко. До каких пор можно рассекать яблоко на части? Мысль о том, что существует предел такого деления, и побудила назвать мельчайшие (далее уже неделимые) частицы материи атомами (в буквальном переводе с языка древних греков слово «атом» означает «неразрезаемый», «нерассекасмый»).
Развивая атомистические идеи Левкиппа, Демокрит создал всеобъемлющую научную систему, включающую в себя учение о космосе, теорию познания, логику, этику, математику, биологию и психологию. Согласно его учению, в природе существуют лишь два начала - пустота и атомы. Атомы обладают различными выступами, углублениями и крючками, позволяющими им сцепляться друг с другом и тем самым образовывать устойчивые соединения. Философ был настолько убеждённым атомистом, что даже человеческую душу и богов представлял в виде комбинаций атомов.
Последователем Левкиппа и Демокрита был Эпикур (341-270 до н. э.). Их учение о существовании частиц противоречило другой идее - идее о бесконечной делимости материи философа Анаксагора (около 500 - 428 до н. э.) из города Клазомены в Малой Азии. Аргументы в пользу атомистического учения можно найти в знаменитой поэме древнеримского поэта и философа Тита Лукреция Кара (I в. до н. э.) «0 природе вещей».
Удивительна судьба атомистической гипотезы! Уже через несколько десятилетий после смерти Демокрита она была подвергнута серьёзной критике со стороны Аристотеля из Стагиры (384-322 до н.э.). Если атомы - это мельчайшие и неделимые частицы, то, как они могут отличаться друг от друга? Разве можно говорить о форме и ориентации того, что не имеет частей? «У неделимого, - подчёркивает Аристотель, - нет ни края, ни какой-либо другой части». Впрочем, отмечает философ, не правы и те, кто верит в бесконечную: делимость материи. Ибо что останется после такого деления? Не имеющие размеров точки? Но это – «ничто». «Значит, - пишет Аристотель, - ничего не осталось бы и тело уничтожилось бы, превратившись в [нечто] бестелесное. И тогда оно вновь могло бы возникнуть или из точек, или вообще ни из чего. Но разве это возможно?.. Ведь хотя бы даже все точки сложились вместе, всё равно они не составили бы никакой величины».
Согласно Аристотелю, основу мира составляет некая первичная материя. Она непрерывна: ни атомов, ни пустоты в ней не существует. Первичная материя может принимать форму какой-либо из четырёх стихий - огня, воздуха, воды или земли. Вступая во всевозможные соединения, они образуют различные вещества.
Впоследствии Католическая церковь превратила учение Аристотеля в догму, в которую следовало лишь слепо верить, не пытаясь, что-либо менять. В XI в. кардинал Пётр Дамиани (10071072) объявил науку «служанкой теологии». Существование атомов не укладывалось в систему религиозных представлений о мире (если Бог построен из атомов, то кто и когда создал атомы?), и о мельчайших частицах материи надолго забыли.
«Мы были свидетелями гибели учёных, - писал в XI в. персидский и таджикский поэт, и естествоиспытатель Омар Хайям (настоящее имя Гиясаддин Абу-ль-Фатх Омар ибн Ибрахим; около 1048 – после 1122), - от которых осталась малочисленная, но многострадальная кучка людей. Суровость судьбы в эти времена препятствует им всецело отдаться совершенствованию и углублению своей науки. Большая часть из тех, кто в настоящее время имеет вид учёных, одевает истину ложью и, не выходя в науке за пределы подделки и лицемерия, использует тот запас знаний, которыми они обладают, только для низменных, плотских целей».
Лишь в XIII и XIV вв. вновь появляются отдельные сторонники атомизма. Например, французский учёный Никола из Отрекура (около 1300 - после 1350) считал, что в явлениях природы нет ничего, кроме движения, соединения и разъединения атомов. Но и он в 1347 г. был вынужден публично отречься от своих взглядов, а его сочинение, осуждённое Церковью, было публично сожжено.
Потребовалось ещё 300 лет, прежде чем, наконец, появился учебник «Наставления физики» (1638 г.) Иоганна Шперлинга (1603-1658), в котором решительно утверждалось:
«Учение об атомах не столь ужасно, как это кажется многим. Позорной язвой нашего века являются осмеяние, освистание, осуждение всего, о чём не сразу можно высказать своё мнение... Ничего не стоит сказать, что Эпикур бредил, что Демокрит безумствовал, что древние были дураки».
В начале XVII в. французский учёный Пьер Гассендй (1592-1655) для обозначения частицы, состоящей из нескольких атомов, впервые вводит термин «молекула» (что в переводе с латинского означает «маленькая масса»). Атомно-молекулярные представления начинают привлекать внимание химиков и физиков. Однако до реабилитации Демокрита было ещё далеко: Церковь упорно придерживалась взглядов Аристотеля и карала каждого инакомыслящего.
Летом 1624 г. группа французских учёных решила организовать в Париже публичный диспут, на котором предполагалось подвергнуть учение Аристотеля резкой критике. 14-й тезис подготовленной программы возрождал атомистическую гипотезу. Однако этому диспуту не суждено было состояться. В назначенный день одного из его устроителей, де Клава, арестовали, а другому, Виллону, пришлось скрыться. Остальным участникам диспута было предписано покинуть Париж в 24 часа. При этом французский парламент принял постановление, по которому организация подобной полемики и распространение учения об атомах впредь запрещались под страхом смертной казни.
Прошло ещё почти 100лет, прежде, чем идеи о мельчайших частицах вещества стал развивать Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). Различая два вида «нечувствительных частиц» материи, он даёт им названия «элементы» (равные понятию «атом») и «корпускулы» (равные понятию «молекула»). По Ломоносову, «элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличных между собою тел»; корпускула есть собрание элемента в одну небольшую массу».
Но в наибольшей степени вторым рождением атомов человечество обязано английскому учёному Джону Дальтону (1766-1844), который впервые предпринял попытку количественного описания их свойств. Именно им было введено понятие атомного веса и составлена первая таблица атомных весов различных химических элементов.
Но тот же Дальтон ввёл в химию представление о «сложных атомах», итальянский физик и химик Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Кваренья эди Черрето (1776 - 1856) - понятие об «элементарных молекулах». Возникшая путаница в понятиях и отсутствие единой общепринятой терминологии стали затруднять дальнейшее развитие химии. Важную роль в уточнении используемых понятий сыграл Международный химический конгресс в Немецком городе Карлсруэ, собравший в 1860 г. 140 учёных из разных стран. После блестящего и «воодушевлённого» (по словам Дмитрия Ивановича Менделеева) доклада итальянского химика Станислао Каннилццаро (1826-1910) конгресс путем голосования принял решение о различии понятий «атом» и «молекула», раз и навсегда покончив с существовавшей ранее путаницей.
Между тем многие учёные и после этого продолжали считать атомы и молекулы не реально существующими частицами, а лишь рабочими гипотезами, придуманными ради удобства. Например, немецкий физикохимик Вильгельм Фридрих Оствальд (1853-1932) утверждал, что «атомы будут существовать только в пыли библиотек». Другой известный учёный, австрийский физик и философ Эрнст Мах (1838-1916), на все доводы в пользу существования атомов обычно отвечал: «А вы видели хотя бы один атом?».
Иной точки зрения придерживался австрийский физик-теоретик Людвиг Больцман (1844 - 1906). Несмотря на дружбу с Оствальдом и огромное уважение, которое он испытывал к Маху, сам Больцман, в отличие от них, был страстным и убеждённым сторонником атомно-молекулярного учения и много сделал для его развития. Однажды во время обсуждения атомистической теории в Венской академии наук он вдруг услышал, как Мах лаконично заметил: «Я не верю в существование атомов». «От этого высказывания, - вспоминал впоследствии Людвиг Больцман, - у меня голова пошла кругом...»
Учёный не дожил до того времени, когда были осуществлены решающие опыты, неопровержимо доказавшие реальность существования атомов. Он тяжело переживал разногласия с коллегами-современниками и, в частности, поэтому в 1906 г. покончил с собой. «То, на что жалуется поэт, - писал Больцман, - верно и для теоретика: творения его написаны кровью его сердца, и высшая мудрость граничит с высшим безумием».
Сегодня никто уже не сомневается в существовании атомов, однако, реально существующие атомы оказались совсем не такими, какими их представлял Демокрит. Уже Больцман по этому поводу писал: «В неделимость атома не верит в настоящее время ни один физик».
Однако установить истинную структуру атома удалось лишь спустя пять лет после его смерти, когда на основе продолжительных и кропотливых экспериментов английский физик Эрнест Резерфорд (1871 - 1937) пришёл к выводу, что атом представляет собой положительно заряженное ядро, окружённое электронной оболочкой.
Обнаружение этой структуры ознаменовало третье рождение атома. Так из умозрительной гипотезы он превратился в реальную и осязаемую единицу материи.
