100 великих научных открытий - [51]

Одновременно с Торричелли и Паскалем (однако совершенно самостоятельно) исследованиями давления занимался немецкий физик Отто фон Герике (1602–1686). Сперва Отто взял шар из тонкого слоя металла и выкачал оттуда весь воздух, вследствие чего «подопытный» стал плоским. Ученый справедливо предположил, что виноват во всем внешний воздух, который своим давлением деформировал шар. Затем Герике продемонстрировал общественности еще одно «чудо» — «магдебургские полушария». В ходе эксперимента ученый соединил две металлические полусферы и изнутри образовавшегося шара принялся насосом откачивать воздух. В конце концов полусферы прижались одна к другой настолько крепко, что разорвать их не удалось даже нескольким парам грузовых коней. За процессом наблюдали все представители власти города Регенсбург, и результат их убедил: атмосфера имеет вес, которым и давит на Землю, — иначе что заставило бы полушария так сцепиться при выкачивании воздуха?

После этого Отто, будучи любителем разных изобретений, повесил на своем доме необычный барометр — в виде медно-стеклянной трубки, опущенной в бассейн с водой. Когда из трубки был откачан весь воздух, вода из бассейна поднялась и впоследствии меняла свой уровень только в зависимости от температуры извне.

Так в научном мире сформировалось представление о воздухе как об особом виде материи, которая давит на нас своим весом и сжимает предметы, в которых воздуха нет. Безвоздушное пространство получило название вакуума.

Закон Бойля — Мариотта

Во второй половине XVII в. в Европе началась промышленная революция, которая подстегнула новые научные открытия. Так, в связи с добычей полезных ископаемых требовались насосы для откачивания воды из шахт (именно это поспособствовало открытию давления «упругого» воздуха). Фабрики по производству тканей нуждались в паровых машинах, которые приводили бы в движение станки. Развитие международной торговли не могло обойтись без новых транспортных средств… Это побудило ученых приступить к тщательному изучению газа — в широком смысле слова.

А началось все с научного спора. Блез Паскаль и Отто фон Герике опытным путем пытались доказать, что воздух упругий. Так, Паскаль клал надутый кожаный мешок в вакуумную камеру, и при отсутствии давления извне шар раздувался. Герике соединял две колбы, одна из которых была с воздухом, а другая без, и из первой большим напором направлял воздушную струю во вторую, вследствие чего легкие предметы внутри нее разлетались, а сдутый бычий пузырь превращался в шар. С другой стороны, Франциск Линус объяснял действие насоса сцеплением частиц воды и воздуха посредством крючков, а движение ртутного столба в трубке барометра — присутствием там какой-то невидимой материи, которая «дергает» ртуть за нити-фуникулы.

Предметом этих дебатов заинтересовался англичанин Роберт Бойль (1627–1691). Поддерживая идеи Паскаля и Герике, он сам провел серию экспериментов с выкачиванием воздуха из сосуда (для чего предварительно усовершенствовал насос, изобретенный Р. Гуком) и сделал несколько чудесных открытий. Во-первых, что перо и камень в безвоздушном пространстве падают с одинаковой скоростью. Во-вторых, что животные и растения без воздуха жить не могут. В-третьих, что в пустом сосуде гаснет огонь и не слышен звук, что дым, чуть поднявшись, опускается силой тяжести, а вода по трубке не течет. И что трение тел даже в пустоте создает тепло. Все это дало Бойлю основание опровергнуть теорию французского ученого Рене Декарта, согласно которой пустоты не существует, а безвоздушное пространство заполнено особой материей — эфиром. «Нет никакого эфира», — категорично заявил Бойль (кстати, именно он придумал слово «вакуум», что с латыни так и переводится как «пустой»).

В 1660 г. Бойль дописал труд «Новые физико-механические эксперименты относительно воздуха», где изложил не только результаты своих опытов, но и собственную теорию о том, что представляет собой воздух. Раскритиковав идею Аристотеля о четырехэлементном составе всех физических тел (из земли, огня, воды и воздуха), Бойль тем не менее принял и развил концепцию атомов. Мол, воздух состоит из мельчайших частиц-корпускул, которые испаряются от разных предметов и пребывают в непрерывном хаотическом движении, создавая иллюзию единой текучей массы. Таким образом, Бойль первым сказал, что нас окружает смесь разных газообразных веществ.

Два года спустя ученый и его помощник Ричард Таунли определили, что давление газа увеличивается ровно настолько, насколько уменьшается его объем, а значит, если измерить объем емкости с газом, то можно вычислить силу, с которой он давит на стенки сосуда. Исследователи загнули стеклянную трубку так, чтобы обе ее части были параллельны, но одна длиннее другой. Короткую часть запаяли, а в длинную налили ртуть и подождали, пока уровень жидкости в обеих частях сравняется. Затем Таунли стал доливать ртуть, и в конечном счете жидкость в короткой части поднялась, но не до конца трубки, а так, что остался воздушный зазор. В целом же уровень ртути в длинной части оказался на 72 см выше, чем в короткой, и Бойль заключил, что воздух в этом ответвлении сжался вдвое, а Таунли сделал главный вывод: давление воздуха на ртуть увеличилось тоже в 2 раза. После ученые поэкспериментировали, нагревая и охлаждая короткий конец трубки мокрой тканью и огнем свечи, и эти опыты показали, что тепло расширяет воздух больше, чем холод.