Открытие давления атмосферного воздуха
«Природа не терпит пустоты» — эта концепция восходит еще к Древней Греции. Но в те времена это означало лишь то, что существование пустоты, т.е. вакуума, в природе просто невозможно. Последующие научные исследования сил, действующих в жидкостях и газах, привели к новому пониманию физики.
Подобно многим историям научного прогресса, особенно заметного с XVII века, эта также начиналась с Галилео. На пике своей популярности в 1630 году Галилео получил письмо от своего научного коллеги итальянца Джованни Баттиста Балиани. В том письме Балиани спрашивал знаменитого ученого, почему никак не получается поднимать воду с помощью сифона по склону особенно высокого холма.
Уже в те времена люди понимали, что проводит воду через сифон именно разрежение воздуха — «пустота», как это тогда называли. Вода стремится заполнить пустое пространство и поднимается по трубкам. Галилео предположил, что сила пустоты имеет свои пределы и ее просто не хватает, чтобы поднять воду на вершину холма высотой, говоря современным языком, с шестиэтажное здание.
Три года спустя Римская инквизиция начала гонения на Галилея за ересь. К тому времени он уже стал слишком известен как ниспровергатель вечных истин Аристотеля, верившего, что Земля лежит в самом центре совершенной неизменяющейся Вселенной. Католическая церковь во многом держалась на этих положениях.
Галилей был заключен под домашний арест и прожил так до самой смерти в 1642 году. За несколько месяцев до смерти почти ослепший Галилей приглашал Эванджелисту Торричелли для того, чтобы записать свою последнюю работу. Впоследствии именно Торричелли представил Галилея главным ученым Тосканы.
Первый барометр
Одной из первых проблем Торричелли был поиск ответа на вопрос, почему даже самый сильный насос не способен поднимать воду сколь угодно высоко (по современным сведениям, предел высоты — примерно 10 метров, или 33 фута). Эванджелиста предпочел уменьшить размеры экспериментального оборудования раз в десять и выбрал для работы более тяжелую ртуть (ртуть в 14 раз плотнее воды). Он закрыл один конец трубки и наполнил ее ртутью, а затем опрокинул открытый конец трубки в чашу с ртутью (нарисована справа). Ртуть в трубке всегда опускалась до 76 см (30 дюймов). Оказалось, что высота ртути также была в 14 раз ниже предельной высоты водяного столба. Для Торричелли это стало достаточным доказательством того, что водяной насос работает за счет создания «пустоты», т.е. разрежения воздуха.
Эванджелиста Торричелли обнаружил, что жидкости скорее выдавливаются весом воздуха, чем затягиваются разрежением. Столбик жидкости достигает своей максимальной высоты, когда его вес уравновешивает давление воздуха. Это открытие дало Торричелли право назвать себя изобретателем барометра — прибора для измерения давления воздуха, хотя и до него были исследователи, которые размышляли над проблемой измерения давления — силы, действующей на единицу поверхности тела.
Сила разрежения
Так что же такое в верхней части перевернутой «торричеллиевой трубки»? Неужели «торричеллиева пустота» это всего лишь вакуум? Сам Торричелли умер довольно рано, в 1647 году от тифа, и в последующие годы исследования продолжал француз Блез Паскаль. По просьбе Паскаля его зять Флорен Перье провел ныне знаменитый эксперимент в горах Центрального массива. Перье установил снаружи собора Вознесения Девы Марии в городе Клермон-Ферран два ртутных барометра и попросил монаха каждый день записывать уровень ртути (разницы в показаниях барометров не было).
Затем Перье перенес один из барометров на вершину горы Пюи-де-Дом — потухшего вулкана высотой 1460 м (4790 футов). По пути наверх дотошный зять Паскаля произвел несколько измерений и обнаружил, что уровень ртути постепенно опускается. Все было так, как предсказывал Паскаль. С подъемом давление воздуха снижалось, поскольку на исследователя давил столб воздуха меньшей высоты. Более того, пустое пространство над столбиком ртути увеличивалось, хотя от внешнего воздействия трубка была надежно закрыта сверху. При добавлении «пустоты» могла расти только «пустота». В трубке действительно был вакуум — пустое пространство, которого так избегали последователи Аристотеля.
Сила пустоты
В 1650 году Магдебург увидел небывалое зрелище. Отто фон Герике изобрел воздушный насос с невиданным тогда клапаном одностороннего пропускания воздуха. Но мы бы об этом не узнали, если бы не знаменитый эксперимент с «магдебургскими полушариями» — двумя медными полусферами, плотно соединенными друг с другом.
Согласно записям, когда из этого шара откачали воздух, то 16 лошадей (по восемь с каждой стороны) не смогли разделить эти полушария. Но когда в шар запустили воздух, полушария без усилий распались. Это стало еще одним доказательством, что не вакуум создает силу, а давление воздуха, которое удерживает полушария вместе. Оставался вопрос, что же было в том воздухе, что он создавал такую силу.
