Как Торричелли измерил давление воздуха с помощью ртутной трубки
Воздух кажется почти идеальным кандидатом на роль «ничего». Его не видно, он проходит между пальцами, а человек обычно замечает его только тогда, когда воздух превращается в ветер. Поэтому мысль о том, что над нашей головой лежит огромная масса газа и непрерывно давит на всё вокруг, в XVII веке вовсе не выглядела очевидной. Чтобы сделать это давление видимым, Эванджелисте Торричелли понадобились стеклянная трубка, тяжёлый жидкий металл и одна очень старая проблема с водяными насосами.
Шахтёры и строители колодцев давно знали неприятную особенность насосов: воду невозможно было «высосать» вверх на любую высоту. Даже хороший насос переставал справляться, когда подъём приближался примерно к десяти метрам. В тогдашней физике всё ещё жила аристотелевская идея horror vacui — «боязни пустоты». Считалось, что природа не допускает возникновения пустого пространства и поэтому вода следует за поршнем.
Но объяснение давало сбой. Если природа действительно настолько не любит пустоту, почему её упорства хватает только примерно на десять метров водяного столба?
Этим вопросом занимался и Галилей. Торричелли был связан с его научной школой и в последние месяцы жизни Галилея работал рядом с ним во Флоренции. После смерти учёного в 1642 году Торричелли занял его место при дворе тосканского герцога. Проблема насосов к тому времени уже превратилась из ремесленной неприятности в серьёзный физический спор.
Ключевой ход состоял в том, чтобы заменить воду жидкостью намного тяжелее.
Ртуть подходила почти идеально. Она примерно в 13,6 раза плотнее воды, а значит, для уравновешивания той же внешней силы требовался столб не высотой с трёхэтажный дом, а меньше метра. Огромную установку можно было превратить в опыт на лабораторном столе.
Эксперимент обычно относят к 1643 году, а летом 1644-го Торричелли подробно описал его в переписке. Длинную стеклянную трубку, запаянную с одного конца, заполнили ртутью до краёв. Открытый конец закрыли, трубку перевернули и опустили в сосуд, где тоже находилась ртуть. После открытия конца произошло то, чего человек, верящий в абсолютную «боязнь пустоты», мог бы не ожидать: часть ртути вытекла в чашу, но не вся.
В трубке остался столб высотой примерно 76 сантиметров.
Над ним возникло пространство без обычного воздуха — то, что позже стали называть торричеллиевой пустотой. В реальном барометре там остаётся немного паров ртути, поэтому это не идеальный вакуум в современном смысле, но для опыта XVII века разница была принципиальной: над столбом не находилось ничего, что могло бы «тянуть» жидкость вверх.
Значит, искать причину нужно было снизу.
Торричелли понял опыт наоборот по сравнению с привычным представлением о всасывании. Не пустота удерживала ртуть в трубке. Воздух давил на открытую поверхность ртути в сосуде, и это давление снизу поддерживало столб внутри трубки. Ртуть опускалась до тех пор, пока её собственный вес не уравновешивал действие атмосферы.
Так невидимое давление получило вполне видимую линейку.
Чем сильнее атмосфера давит на поверхность чаши, тем выше может удерживаться ртуть. Если давление уменьшается, столб опускается. Сегодня эту связь записали бы одной короткой формулой через плотность жидкости, ускорение свободного падения и высоту столба. Торричелли обходился без паскалей и гектопаскалей: сама высота ртути уже служила мерой давления.
Отсюда и старое выражение «миллиметры ртутного столба». Нормальное давление позднее связали со значением 760 мм рт. ст. Современный стандарт выражает его как 101 325 паскалей, но за этой цифрой всё ещё легко увидеть тот самый столб жидкого металла высотой около трёх четвертей метра.
Особенно красиво опыт объяснял загадку насосов. Если вместо ртути взять воду, для равновесия потребуется столб примерно в 13,6 раза выше — около десяти с небольшим метров. Вот откуда брался старый предел водяного насоса. Насос не «уставал» и природа не прекращала бороться с пустотой. Просто атмосферного давления уже не хватало, чтобы поддерживать более высокий водяной столб.
Сам Торричелли сформулировал новую картину мира очень выразительно. В письме математику Микеланджело Риччи от 11 июня 1644 года он писал, что мы живём погружёнными на дне «океана воздуха», который имеет вес. Для XVII века это была почти смена декораций: воздух переставал быть пустым промежутком между вещами и превращался в вещество, способное давить, меняться и быть измеренным.
Причём в той же переписке Торричелли рассматривал прибор не только как опыт с пустотой, но и как способ замечать изменения состояния воздуха. Высота ртутного столба могла меняться. Из эксперимента, возникшего вокруг философского спора, постепенно вырос барометр — инструмент для наблюдения за атмосферой.
Оставался красивый способ проверить новую идею. Если ртуть действительно поддерживает вес воздуха над прибором, то на вершине горы столб должен стать ниже: над наблюдателем окажется меньше атмосферы. Торричелли до такой демонстрации не дожил — он умер в 1647 году. В следующем году по инициативе Блеза Паскаля его родственник Флорен Перье поднялся с ртутным прибором на Пюи-де-Дом во Франции. По мере подъёма ртуть опустилась, как и предсказывала идея атмосферного давления.
Так трубка с ртутью решила сразу две старые загадки. Она показала, что пустое пространство можно получить без мистической борьбы природы с вакуумом, и одновременно позволила буквально взвесить столб воздуха над человеком.
Конечно, Торричелли не измерял всю атмосферу на весах. Его прибор делал нечто изящнее: сравнивал давление невидимого воздуха с весом видимой жидкости. Огромный воздушный океан оказывался уравновешен столбиком ртути, который помещался на столе.
В этом и заключалась сила опыта. Для открытия не потребовались ни огромная машина, ни путешествие в небо. Нужно было всего лишь перестать спрашивать, почему пустота «тянет» жидкость вверх, и задать противоположный вопрос: а что, если её снизу толкает сам воздух?
После этого невидимое впервые стало измеримым.
Изображение в превью:
Автор: Wellcome Library, London CC BY 4.0
Источник: commons.wikimedia.org
