Природа не боится пустоты: как Блез Паскаль доказал существование атмосферного давления 372 года назад

19 сентября мы вспоминаем события давно минувших лет, поскольку именно в этот день 372 года назад Блез Паскаль доказал существование атмосферного давления. Рассмотрим подробнее, как это было.

Ноябрь 1647 года в Париже был таким же мрачным и заставил Блеза Паскаля мечтать о горных вершинах вокруг Клермон-Феррана, городка в провинции Овернь, где он родился и вырос и где все еще жили его сестра и ее муж Флорин Перье.

Идея эксперимента

В ту осень Паскалю пришла в голову идея эксперимента, который, как бы прост он ни был, тем не менее произвел революцию в наших знаниях об атмосфере и атмосферном давлении. Итак, 15 ноября он сел и написал длинное письмо своему шурину, чтобы убедить его провести этот эксперимент.

За несколько лет до этого итальянские инженеры всерьез задумались, почему им не удается построить всасывающие насосы, которые могли бы поднимать воду для использования в фонтанах или для снабжения зданий на высоту более 10 метров. Они даже спрашивали об этом Галилея, но он мог только подтвердить этот факт и не дать ясного ответа. В Риме ученый-любитель по имени Гаспаро Берти провел серию экспериментов, чтобы детально изучить это любопытное явление. Он использовал длинную трубку, запечатанную с одного конца, наполнил ее полностью водой, погрузил открытый конец в ванну с водой, а затем привел трубку в вертикальное положение. Как он отметил, часть воды вылилась в ванну, но не вся, оставив вертикальный столб воды высотой около 10 метров в трубе - это была, очевидно, именно предельная высота насосов, которая озадачила инженеров.

Настоящий ажиотаж

В то время, в начале 1640-х годов, эти эксперименты вызвали настоящий ажиотаж. Главный вопрос заключался в том, действительно ли пусто пространство в верхней части трубы? А что мешает воде полностью вылиться в ванну? Согласно все еще преобладающим физическим теориям, восходящим к Аристотелю, природа ненавидит вакуум - не может быть пустого пространства, поэтому пространство над линией воды в трубе должно быть заполнено каким-то веществом. А может быть, природа не любит заполнять пространство этим веществом и это мешает воде выливаться наружу? Однако некоторые люди также утверждали, что, возможно, атмосферное давление - вес воздуха в атмосфере, который, как было известно с некоторых пор, имеет измеримую плотность, - может быть виновником вместо этого. Возникла явная необходимость в дальнейших экспериментах.

Замена воды ртутью

Во Флоренции Эванджелисте Торричелли, ученику Галилея, пришла в голову гениальная идея заменить воду в эксперименте Берти ртутью - жидкостью примерно в 13 раз плотнее воды. Благодаря этой процедуре установка Берти стала намного проще в обращении - теперь требовались сосуды размером всего в десятую часть от тех, которыми пользовался Берти. Когда Торричелли повторил эксперимент, он обнаружил, что столбик ртути опустился на высоту около 760 миллиметров - таково было происхождение прибора, который мы теперь называем барометром. Но вот что самое интересное: высота уровня ртути в трубе над уровнем в ванне не зависит от наклона трубы и она не зависит от кажущегося пустым объема выше уровня ртути в трубе. Это было легко увидеть, если повторить эксперимент с сосудами всех размеров и форм. Теперь особенно этот второй результат было очень трудно согласовать с какой-либо концепцией отвращения к вакууму - по-видимому, размер этого вакуума вообще не играл роли. Но действительно ли атмосферное давление, тяжесть окружающего воздуха не давали ртути полностью вылиться из трубы в ванну?

Новости об экспериментах Торричелли довольно быстро распространились по Европе. Блез Паскаль жил в то время в Руане, в нескольких милях к западу от Парижа, где его отец работал городским сборщиком налогов. И отец, и сын живо интересовались наукой, и они услышали новости из Италии от друга, который посетил их и предложил им объединить усилия, чтобы повторить эксперименты Берти и Торричелли.

Эксперимент с водой и вином

В начале 1647 года Паскали повторили и усовершенствовали эксперимент Берти с большими стеклянными трубками, наполненными водой и красным вином, а также эксперименты Торричелли с ртутью. Некоторые эксперименты проводились публично, с участием граждан Руана в качестве заинтересованных свидетелей. Особенный интерес вызвал эксперимент с вином - даже ради науки, поскольку некоторые утверждали, что пустое пространство в верхней части трубок будет заполнено паром жидкости (правильно на самом деле) и что этот пар будет отталкивать жидкость (неправда) - таким образом, уровень вина должен быть ниже, чем уровень воды. В эксперименте столб вина был выше - потому что, как объяснил Блез Паскаль, плотность вина ниже, чем у воды, и поэтому требуется более высокий столб вина, чтобы уравновесить то же самое внешнее атмосферное давление. Паскаль, как и многие другие, был убежден, что давление воздуха не дает жидкости вытекать из трубок, но ему все еще нужен был способ доказать это.

Паскаль понял, что если вес воздуха действительно является движущей силой во всех этих экспериментах, то он должен быть тем ниже, чем выше место, где проводится эксперимент, так как тогда слой воздуха тоньше.

Паскаль понятия не имел, насколько велик может быть эффект, но он думал и надеялся, что примерно 1000-метровой разницы в высоте между его родным городом Клермон-Ферран и пиком соседнего Пюи-де-Дом будет достаточно. Итак, он написал письмо своему шурину Флорину Перье.

Последнему потребовалось некоторое время, чтобы проникнуться идеей. Эксперимент был проведен только через год после письма Паскаля.

Эксперимент Торричелли на вершине Пюи-де-Дом

19 сентября 1648 года Флорин Перье и его друзья проводят эксперимент Торричелли на вершине Пюи-де-Дом в Центральной Франции. Высота ртутного столба на 85 мм меньше, чем в Клермон-Ферране у подножия горы, примерно на 1000 метров ниже.

В субботу 19 сентября 1648 года Флорин Перье и несколько его друзей из Клермон-Феррана приступили к эксперименту. Ранним утром они измерили высоту ртутного столба в двух экспериментах Торричелли в низменном месте в городе, в саду монастыря, - она составляла 711 мм.

В то время как один из инструментов был оставлен там и наблюдался в течение дня монахом, другой был перенесен на вершину Пюи-де-Дом. К большому удивлению всех, там, примерно на 1000 метров выше того места, откуда они начали, высота столба ртути была всего 627 мм! Флорин и его друзья повторили измерение несколько раз и сделали несколько измерений на обратном пути. Все сходилось: пока они снова спускались с горы, столбик ртути поднимался вверх в стеклянной трубке, а когда поднимались обратно в монастырь, он снова был на 711 мм, высоте, которую неподвижный эталонный прибор держал в течение всего дня.

Флорин Перье был так удивлен и поражен этим большим эффектом, что повторил эксперимент на следующий день. На этот раз, менее напряженно и приличествуя воскресному дню, он пронес инструмент всего на 50 метров вверх по башне собора Клермон-Феррана. Этой разницы в росте было достаточно, чтобы ее можно было четко измерить, около 4 мм. Блез Паскаль, услышав о результате, сразу же взялся воспроизвести эксперимент на Тур Сен-Жак в Париже, где теперь установлена статуя в дань уважения Паскалю и его эксперименту.