1643. Барометр Торричелли

Можно утверждать, что Эванджелиста Торричелли является одним из тех учёных Эпохи Возрождения, которым не очень повезло с узнаваемостью в наше время – школьная программа по естественным наукам не уделяет ему достаточного внимания. Если брать химию, то Торричелли обычно вспоминают в связи с тем, что его именем названа единица измерения давления (1 Торр = = 1 мм рт. ст., хотя, честно говоря, преимущественно это знание бывает востребовано только участниками предметных олимпиад, решающими задачи на газовые законы).

Учебник физики, конечно, рассказывает о Торричелли как об изобретателе прибора, измеряющего давление, однако, учебник физики оставляет Торричелли в тени своего именитого наставника и предшественника на кафедре математики и философии Флорентийского университета – Галилео Галилея. Галилей считается символом науки эпохи Возрождения в первую очередь из-за судебного процесса, который, как многократно подчёркивалось, окончательно подорвал авторитет католической церкви. Тем не менее, семнадцатый век знал примеры научного поиска и научных открытий, не приводивших к конфликту с церковными и светскими властями.

В 1630-х годах инженеры и архитекторы Италии столкнулись с неожиданной проблемой, которой, казалось, не было решения: все попытки закачать воду из рек и колодцев по системе труб оканчивались неудачей в том случае, если высота, на которую нужно было подать воду, была больше 18 браччий (браччия – единица расстояния, принятая в то время на территории Апениннского полуострова, 18 браччий составляет примерно 11 метров). Попытавшийся приложить свой разум к решению этой задачи Галилей, как оказалось потом, ошибся. По его мнению, невозможность подъёма воды на определённую высоту была связана с весом воды – точно также как слишком длинная верёвка должна разрываться под воздействием своего веса, столб воды, начиная с определенной длины и, как следствие, веса, тоже должен разрушиться. Такое предположение приводило к умозаключению, что столб более плотной ртути должен разорваться на меньшей высоте.

Где-то в 1640-м году доводы Галилея решил проверить Гаспаро Берти. На стене римского дворца он закрепил систему из свинцовых труб длиной 21 браччий. В верхней части водопровода Берти был размещён стеклянный сосуд колоколообразной формы, также сверху и снизу устройство было снабжено стопорными кранами. Система была заполнена водой до верхнего крана, после чего верхний кран закрыли, а нижний открыли. Естественно, через открытый нижний отсек трубы хлынула вода, но, вопреки ожиданиям большинства свидетелей (а может и устроителей) эксперимента, вода вылилась не вся, через некоторое время интенсивность потока ослабела, а в конце концов и просто остановилась. Какова была высота оставшегося столба? Правильно – тем самым 18 браччиям. Возник вопрос – насколько пуст отсек, располагающийся в верхнем отсеке системы? Пустота там или не пустота? Вакуум или не вакуум? Предположение о пустоте противоречило канонам естествознания того времени, опиравшимся на идеи Аристотеля о невозможности существования вакуума и догматам о вездесущности и всемогуществе Бога. Более того – результаты эксперимента не согласовывались и с доводами Галилея о возможности саморазрыва жидкости под действием своего веса. Находившийся довольно близко к обоснованию возможности существования вакуума Берти умер спустя пару месяцев после эксперимента, но тут в дискуссию о природе эксперимента о столбе жидкости высотой в 18 браччий вступил Эванджелиста Торричелли.

Торричелли родился на Севере Италии в городке Фаенца в 1608 году, в 1627 году он перебрался в Рим. В Вечном Городе Торричелли изучал математику – и самостоятельно, и под руководством Бенедетто Кастелли, друга и ученика Галилео Галилея. Вскоре Торричели и сам начал писать математические трактаты. Именно благодаря одному из таких трактатов – «Трактате о движении» (Trattato del moto) – в 1640 году на Торричелли обратил внимание стареющий Галилей и предложил ему объединить усилия в постижении природы вещей. Торричелли был учёным-энциклопедистом, сочетавшим черты теоретика и практика: он освоил изготовление стеклянных линз для микро- и телескопов и даже усовершенствовал артиллерийский угломер, увеличив тем самым эффективность прицеливания пушек того времени. В 1643 году вместе со своим другом и еще одним учеником Галилея – Винченцо Вивиани – он решил изучить «феномен 18 браччий», доказать существование пустоты и «…создать прибор для изучения перемен в воздухе…». Судя по записям и письмам, «мозговым центром» исследовательского тандема был Торричелли, который планировал эксперименты и проектировал конструкцию прибора, а Вивиани занимался стеклодувной работой и собственно выполнял запланированные эксперименты. Сейчас таким разделением труда никого не удивишь – это обычные отношения между научным руководителем научной работы и её исполнителем. Для того же времени такое разделение труда «один думает – другой делает» не было обычным: как правило, в те времена научный руководитель и наставник молодого естествоиспытателя прекращал лично участвовать в экспериментах только когда уже не мог делать это по физическим причинам – терял зрение и т. д.

Спроектированную и сконструированную установку Торричелли подробно описал в письме к другому своему другу – Микеланджело Риччи. Устройство представляло собой несколько стеклянных трубочек различного диаметра, запаянных с одного конца. Трубки наполняли ртутью, зажимая пальцем, переворачивали запаянным концом вверх и помещали в резервуар, заполненный ртутью, где уже под слоем жидкого металла, открытый конец трубки высвобождался за счет того, что один из экспериментаторов, а конкретно Вивиани, убирал палец, затыкавший стекло (учитывая те обстоятельства, что к 17-му веку уже было накоплено достаточно эмпирических данных о том, что ртуть и её пары не очень полезны для человека, кажется, можно сформировать одну гипотезу о том, почему Торричелли предпочёл доверить проведение всех экспериментов своему ученику). Ртуть начинала вытекать из трубок, её уровень понижался, но при этом, независимо от диаметра трубки она останавливалась на высоте «одной браччии, четверти брачии и еще одного пальца», или, если использовать современную систему мер – примерно 760 миллиметров относительно уровня ртути в резервуаре. В самой же трубке оставалась пустота, которую мы сейчас называем «вакуум Торричелли». То, что это пустота, было убедительно доказано следующим образом: в резервуар с ртутью наливали воду, поднимали нижний не запаянный уровень стеклянной трубки из ртути до уровня воды, ртуть выливалась, а вот вода «…с ужасной силой…» засасывалась в трубку, заполняя её до самого верха. Одинаковый уровень ртути для трубок с разным диаметром опровергал идею Галилея о саморазрыве столба жидкости под действием собственного веса, и в письме, обращенном к Риччи, Торричелли сделал вывод о том, что ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в резервуаре.

Эти выводы итальянского мыслителя не согласовывались с общепринятыми в то время и считавшимися догмой представлениями Аристотеля о невесомости воздуха, более того, Торричелли первым попробовал рассчитать, сколько весит воздух. Оценив верхнюю границу атмосферы в 80 километров (в наше время граница атмосферы – линия Кармана – определяется как 100 км над уровнем моря), Торричели вычислил, что воздух должен быть в 400 раз легче воды (современные данные говорят о том, что плотность воздуха в 800 раз меньше плотности воды, ошибка Торричелли связана с тем, что он рассматривал, что плотность воздуха постоянна во всём воздушном столбе высотой 80 км). Торричелли первым заявил, что мы живём «…на дне океана из воздуха…».

Получив письмо Торричелли, Риччи достаточно быстро ответил ему, что, хотя концепция пустоты между атомами и была предложена еще в античности философами-эпикурейцами, с точки зрения теологов-современников Торричелли и Риччи была неправильной и еретической. Риччи также добавил, чтобы Торричелли не слишком возмущался подходом теологов привлекать Бога и его высшую волю к обсуждению любых вопросов, касающихся природных явлений, короче, советовал ему быть осторожнее, чтобы не повторить судьбу Галилея. Опасения Риччи можно было понять: при определенном желании, человека, разделяющего атомистические взгляды, причем именно эпикурейскую атомистику, уже более позднее по сравнению с атомизмом Демокрита учение, можно было признать виновным в ереси на основании решений Тридентского собора 1545 года. Дело в том, что эпикурейская атомистика была неприемлема для христианской доктрины вообще. Так, признание эпикурейской физикой вечности материи и объяснение происхождения мира из случайного движения атомов противоречило догмату о сотворении мира единым Творцом в согласии с разумным планом. Признание эпикурейской философией материальности и смертности души противоречило догмату бессмертия нематериальной души человека. С помощью атомистической физики нельзя было объяснить основные христианские таинства, по вопросу природы которых и принял решение Тридентский собор. Торричелли осторожно ответил Риччи в письме на возражения по научному существу интерпретации эксперимента, старательно избежав любого упоминания о церкви, предложив в конечном итоге Риччи встретиться и переговорить с глазу на глаз. Насколько известно, нигде, кроме письма к Риччи, Торричелли не описывал свои рассуждения о весе воздуха и пустоте, и в отличие от Галилея не писал трактатов на «скользкие» для Престола Ватикана темы, вероятно опасаясь повторить судьбу своего наставника (не следует забывать и то, что, возможно, на относительно мягкий приговор Галилею могло повлиять его знакомство с двумя Папами – Павлом V и Урбаном VIII, а у Торричелли столь влиятельных знакомых не было). Как бы то ни было, сообщив о создании барометра только в одном письме лишь одному человеку, Торричелли умер через три-четыре года после создания барометра в возрасте 39 лет.

Тем не менее, каким-то образом информация об экспериментах Торричелли выплыла наружу. Идеи существования пустоты и веса воздуха вызвали ажиотаж среди грамотной публики, и, в конечном итоге, правильность идей Торричелли и существование воздушного океана были подтверждены с помощью эксперимента, проведенного французскими учеными Мареном Мерсенном и Блезом Паскалем. Исследователи взяли два идентичных барометра, один из которых был размещён у подножия вулкана Пюи-де-Дом, а другой на его вершине, возвышавшейся примерно на полтора километра. Высота ртутного столба барометра, находившегося на вершине, была меньше высоты столба барометра у подножия, что говорило о том, что при движении вверх воздушный столб давит на резервуар с ртутью всё с меньшей и меньшей силой, оказывая более низкое давление. Это показало, что барометр Торричелли стал первым измерительным инструментом, позволившим изучить недоступную для изучения другими способами атмосферу. Фактически барометр Торричелли стал третьим измерительным прибором в истории человеческой цивилизации после средств измерения, предназначенных для определения расстояния и весов. И, хотя имя Торричелли больше ассоциируется у нас с физикой, а не с химией, его открытие оказалось судьбоносным и для этой науки – возможность измерения давления привела к созданию основных газовых законов, изучению химии газов. В истории естественных наук начинался этап, который сейчас известен как «пневматическая химия».