Теорию Мейоу — в частности, ту ее часть, где шла речь о метеорологических феноменах, — подтверждали самые обычные наблюдения. Разве в воздухе после грозы не носился легчайший привкус порохового дыма? Разве селитра, добавленная в воду, не делала ее холоднее? Разве она не служила консервантом для мяса? Спекуляции множились. Разумеется, именно селитра, содержащаяся в облаках, вызывает благодаря своим замораживающим способностям снег и град. Ценность селитры в качестве удобрения была давно известна — и фермеры были убеждены, что выпавший весной снег увеличит будущий урожай. И конечно, было совершенно понятно, что именно «сущности» серы и селитры, встречаясь под землей, производят мощные взрывы, которые на поверхности проявляются как землетрясения и извержения вулканов. Обилие серы вокруг Везувия было достаточным доказательством.
Историки науки давно указали, что, если бы Мейоу пришло в голову использовать вместо выражения «селитряно-воздушный дух» слово «кислород», он опередил бы свое время на сотню лет. Однако Мейоу умер в 1679 году в возрасте 38 лет, и к тому времени наука по-прежнему была не способна полностью отказаться от представления, что огонь — это нечто, скрытое внутри горючего вещества.
История продолжилась в Германии: немецкие теоретики вновь обратились к аристотелевским категориям. Они постулировали существование элемента, который отвечает за горение и в изобилии содержится в живой материи. Вспыльчивый профессор Эрнст Шталь назвал это вещество флогистоном — от греческого «горючий» — и построил на нем всеобъемлющую теорию химической реакции. Шталь полагал, что когда какое-либо вещество горит, оно отдает свой флогистон — «дефлогистонизируется». Когда горящую свечу помещали под стеклянный колпак, воздух внутри перенасыщался флогистоном, и свеча гасла. Горение в вакууме было невозможно, поскольку там не было воздуха, который мог бы поглощать флогистон. Согласно Шталю, флогистон не был тождествен огню, однако был «материей и первопричиной огня». Его теория была принята с восторгом: в течение столетия ее продолжали разрабатывать и изучать пылкие «флогистонисты». Это было последнее «прости» представлению об огне как природном первоэлементе.
Детально разобраться в химии порохового взрыва удастся не скоро: химическая теория будет развиваться медленно. Только в XIX столетии в фокусе исследователей окажется эта сложная, стремительная, протекающая при высокой температуре реакция. Однако к тому времени, когда были полностью разработаны точные научные инструменты и методы XX века, черный порох постепенно вышел из употребления, поэтому многие детали химии его горения остаются не вполне ясными даже сегодня: не было стимула заниматься глубоким изучением технологии, которая по большей части устарела.
Однако исследования, проведенные в конце XIX столетия, показали, что в результате экспериментов, которые на протяжении пятисот лет вели тысячи ремесленников, удалось нащупать соотношение, весьма близкое к теоретически идеальному для наиболее мощного взрыва: 75 процентов селитры, 15 процентов древесного угля и 10 — серы. Именно эта пропорция ингредиентов обеспечивала их полное выгорание.
Температура горения черного пороха — 2138 градусов Цельсия. Такая высокая температура усиливает взрывной эффект, заставляя стремительно расширяться образующиеся в результате горения газы. Однако для артиллеристов она создавала проблемы, поскольку была выше точек плавления и бронзы, и железа, и потому каждый выстрел неизбежно изнашивал канал ствола и запальное отверстие. Серия выстрелов, быстро следующих один за другим, разогревала орудие до опасного предела.
В основе горения пороха лежали сложные химические реакции, варьировавшиеся в зависимости от точного состава конкретной смеси и условий, при которых происходило сгорание. Упрощая, можно сказать, что нитрат калия вступал в реакцию с углеродом и серой, чтобы образовать сульфид калия, газообразную двуокись углерода и азот:
2KNO3 + S + 3С — > K2S + 3СО2 + N2
На самом деле в результате реакции образовывались также соединения калия, окись углерода и следы сопутствующих веществ. Твердые вещества составляли 56 процентов продуктов горения, они выделялись в виде дыма и осадка на поверхности канала ствола. Двуокись углерода, азот и другие газообразные вещества составляли 44 процента. Эти газы при нормальном давлении и температуре занимали бы объем в 280 раз больший, чем изначальный объем пороха. Однако при температуре реакции они расширялись, занимая уже в 3600 раз больший объем и развивая в стволе давление в 20 тонн на один квадратный дюйм, которое и доводило до конца работу взрыва. Чтобы степень расширения газа стала наглядной, представьте себе линейку длиной в ярд (размер порохового заряда), практически мгновенно вырастающую в длину до двух миль (настолько увеличится объем газов).
Главное свойство этой реакции — скорость ее протекания. Кусок каменного угля, сгорающий полностью, на самом деле выделяет при горении больше энергии, чем то же количество пороха, только четверть которого сгорает при взрыве. Однако уголь горит медленно и отдает свое тепло в течение гораздо более долгого периода времени. Порох же превращает всю свою потенциальную энергию в горячие расширившиеся газы за тысячные доли секунды.
В орудийном стволе значительная часть химической реакции проходила прежде, чем ядро трогалось с места. Горячие газы действовали подобно мощной пружине, сжатой между 12-фунтовым снарядом и казенной частью пушки. Поскольку ядро было гораздо легче, чем массивное орудие, оно выталкивалось вперед на чрезвычайно большой скорости, хотя и пушка также испытывала мощный удар отдачи. Начав движение, ядро преодолевало длину ствола за десять тысячных секунды — мгновение ока (моргание глаза) длится в девять раз дольше. За это время снаряд набирал максимальную скорость. Вылетев из жерла в сопровождении грохота расширяющихся газов, клубов дыма и языков пламени, он продолжал свой путь с достаточной кинетической энергией, чтобы пролететь милю или больше.
«Мощь пороха до настоящего времени служила только насилию битвы, — писал в 1673 году голландский ученый Христиан Гюйгенс. — И хотя люди долго надеялись, что кто-нибудь сможет умерить эту великую скорость и стремительность, чтобы приспособить ее для других целей, никому, насколько я знаю, это так и не удалось».
Гюйгенс был гением в эпоху гениев, одним из наиболее одаренных ученых нового поколения. Он вырос в Гааге в 1630-х годах, жил недалеко от Рембрандта и, возможно, встречался с ним. Под руководством домашних учителей он выучился играть на виоле и на лютне, говорить по-гречески и по-итальянски. Поступив в Лейденский университет, Гюйгенс погрузился в интенсивное исследование природы. Его научные интересы были обширны. Он изобрел часы с маятником и изучал кольца Сатурна.
В 70-е годы XVII века Гюйгенс заинтересовался проблемой, ставившей в тупик лучшие умы эпохи. Человек еще со времен Средневековья все более и более умело использовал энергию ветра и воды. Если речь шла о мельнице, эффективность этих сил была бесспорна. Однако многие задачи, особенно в области горного дела, требовали мобильного источника энергии, который легко можно было бы переместить в то или иное место. Тягловые животные — единственная альтернатива в то время — были неудобны и неэффективны. Как создать источник энергии, который можно перевезти куда угодно? Это был непростой вопрос.
Нельзя ли использовать для этого порох и с его помощью привести в действие какую-либо машину? Гюйгенсу достаточно было увидеть, с какой силой взрыв выбрасывал ядро из пушки, чтобы понять: заставить работать огромную энергию, порожденную порохом, — чрезвычайно сложная задача. Однако он был знаком с последними опытами, которые показывали, что воздух сам по себе развивал значительное давление на сосуд, из которого воздух был откачан. Гюйгенс подумал, что этот принцип может позволить ему использовать силу пороха опосредованно. Чтобы осуществить задуманное, он решил использовать давно известные цилиндр и поршень — но не для того, чтобы качать воду, а в качестве источника энергии.