Паскаль

Итак, одна из фундаментальных аксиом старой физики, опиравшейся на авторитет Аристотеля вплоть до XVII века, состояла в том, что природа боится пустоты, то есть в природе нет и не может быть пространства, которое не было бы заполнено каким-либо твердым, жидким или газообразным веществом. Пристрастие Аристотеля к формально-логическим умозрительным построениям, установление понятия абсолютно легкого и абсолютно тяжелого заставляли его считать, что воздух не может оказывать давления на воду. Поэтому для объяснения явлений всасывания жидкостей Аристотелю, как уже говорилось, пришлось принять гипотезу, что «природа не терпит пустоты» (horrorvacui).

В силу этой гипотезы, примененной к конкретным инженерным проблемам, считалось, например, незыблемым, что вода может подниматься за поршнем на какую угодно высоту. Древние, писал Паскаль, вообразили, будто насос поднимает воду не только на 10 или 20 футов (что является очевидной истиной), но и на 50, 100 футов и вообще на любую желаемую высоту без всяких ограничений, а «наши устроители фонтанов даже сегодня утверждают, что они могут изготовить всасывающие насосы, которые могут поднять воду на высоту 60 футов».

Однако опытные данные явно противоречили подобным утверждениям. Сооружая в саду великого флорентийского герцога Козимо II Медичи фонтаны, устроители столкнулись с озадачившим их явлением: вода за поршнем поднималась по трубе только на 34 фута. Инженеры проверили свою машину, она оказалась в полном порядке, но вода тем не менее не поднималась выше. Когда обратились за объяснением к Галилею, то ученый ответил: природа-де боится пустоты, но, вероятно, эта боязнь не распространяется выше 34 футов. Галилей не мог удовлетворительно объяснить причин ограниченности высоты, на которую может подниматься жидкость в насосе. Это видно и из его «Бесед и математических доказательств, касающихся двух новых наук», которые написаны им в форме диалога в 1638 году. Участник научной дискуссии, приводимой в «Беседах...», дает пример, из которого следует, что ни насосами, ни другими всасывающими машинами нельзя поднять воду выше 18 локтей. Галилей устами другого участника диалога так объясняет это явление: «А так как каждое действие должно иметь одну истинную и ясную причину, я же не нахожу другого связующего средства, то не удовлетвориться ли нам одной найденной причиною — пустотою, признав ее достаточность?» Галилей, как видим, остановился при разрешении этой проблемы на знаке вопроса, не связав «боязнь пустоты» с воздушным давлением.

В то время многие сторонники пустоты, пишет итальянский историк физики Льоцци, признавали, что воздух обладает «абсолютным» весом, то есть весом воздуха, «вынутого из атмосферы»: «это может показаться весьма странным современному читателю, но для первых физиков воздух в воздухе ничего не весил, так же, как и вода в воде... Но отрицать, что часть жидкости, находящаяся внутри жидкости, имеет вес, значит отрицать, что внутри массы жидкости уравновешиваются давления, приложенные к этому весу. Иными словами, наличие веса у воздуха не приводило к выводу об атмосферном давлении, а в некотором смысле даже исключало его».

Конкретные проблемы, возникшие в связи с метафизической «боязнью», живо заинтересовали итальянских любителей науки, и между 1639 и 1641 годами некто Гаспаре Берти произвел следующий опыт: он изготовил свинцовую трубку длиной около одиннадцати метров с большим стеклянным баллоном на одном конце и с краном — на другом и прикрепил ее веревками к стене собственного дома. При этом нижний конец трубки с краном помещался в бочку, наполовину заполненную водой. Когда кран был закрыт, то через отверстие баллона, находящегося на верхнем конце, трубка полностью заполнялась, после чего отверстие плотно закрывалось. Когда же кран открыли, вода потекла из трубки в бочку, но вытекла не вся и скоро остановилась на определенной высоте. На следующий день вода оказалась на том же уровне, хотя кран оставался все время открытым. Когда кран снова закрыли и открыли отверстие, через которое трубка заполнялась водой, в трубку ворвался воздух. Затем с помощью нитки была измерена высота воды внутри трубки: она оказалась равной примерно восемнадцати локтям выше уровня воды в бочке, на отметке.

6

Опыт Берти был, по существу, первым шагом на пути экспериментального разрешения многих проблем, связанных с пустотой. Но он не был теоретически осмыслен. Вопрос о природе пространства (воздух, какой-либо иной газ, пустота?), остающегося в верхней части трубки после того, как некоторое количество воды из нее спустилось в бочку, был открытым. Не было ответа и на другой важный вопрос: какая сила уравновешивает задержавшуюся в трубке воду и не позволяет ей полностью вытечь в бочку?

Важный вклад в решение этих вопросов был сделан учеником Галилея Торричелли. Торричелли в качестве экспериментального материала стал использовать не воду, а ртуть, которая, будучи тяжелее воды в 13,6 раза, должна была, по его мысли, подняться на высоту, во столько же раз меньшую. Так оно и случилось.