Стивен Вайнберг - Объясняя мир. Истоки современной науки

В 1643 г. Торричелли обнаружил, что если взять более длинную вертикальную стеклянную трубку, закрытую с верхнего конца, и заполнить ее ртутью, то некоторое количество ртути вытечет из трубки, пока ее уровень не составит примерно 760 мм. Таким образом, сверху остается пустота, которая позже стала называться «торричеллиевой пустотой». Такая трубка может служить барометром, показывая изменение давления воздуха в окружающей среде; чем выше давление воздуха, тем выше столбик ртути, который оно может поддерживать.

Французский энциклопедист Блез Паскаль больше всего известен благодаря своей работе по христианской теологии «Мысли о религии и других предметах» и защите секты янсенитов от иезуитского ордена. Но, кроме этого, он внес вклад в геометрию, теорию вероятностей и исследовал пневматические явления, которые изучал Торричелли. Паскаль утверждал, что если столбик ртути в стеклянной трубке, открытой снизу, поддерживается давлением воздуха, то высота столбика должна уменьшиться, если подняться высоко в горы, где воздух более разреженный и, следовательно, давление ниже. Когда это предположение подтвердилось в ходе ряда экспедиций в период с 1648 по 1651 г., Паскаль пришел к заключению, что «все явления, приписываемые ранее [“боязни пустоты”], на самом деле следствия давления воздуха, которое является единственной настоящей их причиной» {231}.

В честь Паскаля и Торричелли были названы современные единицы давления. Один паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону (сила, изменяющая за одну секунду скорость тела массой один килограмм на один метр в секунду), равномерно распределенной по поверхности площадью один квадратный метр. Один торр – это давление, которое поддерживает столбик ртути высотой в один миллиметр. Нормальное атмосферное давление – 760 торров [19], что составляет чуть больше 100 000 паскалей.

Работы Торричелли и Паскаля были продолжены англичанином Робертом Бойлем. Бойль был сыном графа Корка и, таким образом, отсутствующим земельным собственником протестантского «господства» – высшего класса, который в то время правил Ирландией. Он получил образование в Итоне, совершил длительную поездку по Европе и сражался на стороне парламента в гражданской войне, бушевавшей в Англии в 1640-х гг. Хотя это и необычно для человека его положения, Бойль увлекся наукой. Он познакомился с новыми идеями, перевернувшими астрономию, в 1642 г., прочитав работу Галилея о двух главных системах мира. Бойль выступал за натуралистическое объяснение природных явлений, заявляя: «Нет никого, кто желал бы больше [чем я сам], признавать и преклоняться перед всемогуществом Господа, [но] наш спор не о том, что сделал Господь, а о том, что могло быть сделано его природными посредниками, не поднявшимися выше сферы природы» {232}. При этом, как и многие до появления работ Дарвина и даже некоторые после, он считал, что чудесные особенности животных и людей доказывают, что они должны были быть созданы высшим благосклонным творцом.

Работа Бойля по давлению воздуха была описана в 1660 г. в книге «Новые физико-механические эксперименты относительно веса воздуха и его проявления». В своих экспериментах он использовал усовершенствованный воздушный насос, изобретенный его учеником Робертом Гуком, о котором мы поговорим подробнее в главе 14. Выкачивая воздух из сосудов, Бойль сумел определить, что воздух необходим для проведения звука, для горения и для поддержания жизни. Он определил, что ртутный столбик в барометре опускается, если откачать воздух из окружающего его пространства, добавив важный аргумент в пользу заключения Торричелли о том, что то, что раньше принимали за неприятие природой пустоты, объясняется давлением воздуха. Используя столбик ртути, чтобы изменять давление и объем воздуха в стеклянной трубке, не позволяя воздуху входить и выходить из нее и поддерживая постоянную температуру, Бойль сумел установить соотношение между давлением и объемом. Во втором издании «Новых экспериментов», опубликованном в 1662 г., он сформулировал, что давление соотносится с объемом так, чтобы его произведение на объем оставалось постоянным, – правило, которое сейчас называется законом Бойля – Мариотта.

Даже эксперименты Галилея с наклонной плоскостью не были так показательны для нового энергичного стиля экспериментальной физики, как эти эксперименты с давлением воздуха. Физика перестала быть царством натурфилософов, выводящих законы природы из случайных наблюдений. Теперь к матери-природе относились как к хитрому неприятелю, чьи секреты должны быть раскрыты с помощью специально созданных искусственных обстоятельств.