Упрямый фонтан
В замке великого герцога Тосканского шли последние приготовления к блестящему балу. На кухонных очагах жарились целиком кабаны и жирные индейки. Из тысяч ароматных цветов, крестьянские девушки сплетали изумительные венки и букеты. Виночерпий извлекал из подвалов замка бутылки столетней давности, покрытые толстым слоем пыли и паутины.
Предстоял пир горой!
Среди сюрпризов, припасенных щедрым хозяином для дорогих гостей, был фонтан. Его струи ровно в полночь окружат террасу, словно занавесом, сотканным из водяных кружев. Плошки и свечи, смоляные факелы, расставленные вокруг террасы, радужной каймою осветят воду. О, это будет феерическое зрелище! И, разумеется, в довершение бала вспыхнет грандиозный фейерверк из пяти тысяч бенгальских огней. Пиротехники уже хлопочут в саду, развешивая на деревьях затейливые гирлянды из зажигательных снарядов.
Герцог заранее предвкушает удовольствие от бала. Но хозяина не на шутку тревожит фонтан. Еще час назад должен был состояться пробный пуск. Однако, несмотря на то, что самые опытные флорентийские мастера взялись за дело, до сих пор из фонтанных труб не пролилось ни капли воды.
Рассерженный герцог велел позвать главного фонтанщика и, когда тот явился, стал сурово отчитывать его:
— Знаешь ли ты, что играешь с огнем? Почему до сих пор не бьет вода?
— Не могу знать, ваша светлость,— в страхе промолвил флорентиец, беспомощно разводя руками.— Не идет, да и только!
— Как это так не идет, если я приказал! — в гневе воскликнул герцог.— Насосы действуют? Трубы исправны? Или, быть может, пруд вдруг высох, негодяй?
— Насосы работают, трубы в порядке и пруд полноводен, но вода не желает подниматься... Видно, мое искусство бессильно...
Герцог, до предела взбешенный, прогнал флорентийца с глаз долой.
Так и не состоялся летом 1640 года эффектно задуманный пуск фонтана в герцогском саду.
Почему же вода не пошла в фонтан? Воду для него предполагалось накачивать с помощью всасывающих насосов из пруда, расположенного у подножья холма, на котором стоял герцогский дворец. На чердаке дворца флорентийские мастера поставили большой бак, а рядом с ним — насосы. Накачанная в бак вода должна была изливаться самотеком в фонтанные трубы.
Однако, как ни налегали на рукоятки всасывающих насосов, вода из пруда поднималась только на высоту 32 футов (около
10 метров). Преодолеть еще десяток футов — до бака — вода ни за что не желала. Даже на полдюйма сверх 32 футов не удавалось заставить подняться упрямую воду. Странное, непонятное упрямство!
Герцог не мог понять причины этой неудачи и справился у своего духовника — просвещенного католического прелата. Но тот лишь развел руками и туманно пояснил: «Природа, монсеньор, боится пустоты..
Герцога не удовлетворил этот ответ. Он решил обратиться за объяснением к 76-летнему знаменитому ученому Галилео Галилею. Уже в течение многих лет святейшая инквизиция не оставляла его в покое за еретические взгляды. Ослепший, он вынужден был поселиться изгнанником на вилле Арчетри, близ Флоренции. С ним было несколько верных учеников.
Случай с упрямым фонтаном навел Галилея на глубокие размышления. Правда ли, что природа боится пустоты? Чтобы ответить на этот вопрос, Галилей с помощью своих учеников Вивиани и Торричелли поставил следующий опыт. Наполнили бутыль чистой ключевой водой и стали кипятить ее, выгоняя прочь растворенный в ней воздух. Когда, по мнению Галилея, весь воздух из бутыли вышел, ученый велел плотно закупорить сосуд и взвесить его самым тщательным образом. Вес записали. Потом сосуд откупорили. Подержав его некоторое время открытым, Галилей распорядился вновь взвесить бутыль. И снова Вивиани и Торричелли склонились над весами. Результат ошеломил их: бутыль весила больше! Очень маленькой была разница между первым и вторым весом, но все же была.
Строго говоря, опыт Галилея не был достаточно убедительным. Ведь вместе с воздухом из бутыли удалялась при кипячении и часть воды в виде пара. Но все же этот опыт дал право Галилею сделать важный вывод о том, что воздух имеет вес. Именно вес воздуха, а не таинственная «боязнь природой пустоты», как-то ограничивал подъем воды всасывающим насосом только до высоты в 32 фута.*
Смерть Галилея 8 января 1642 года помешала ему разрешить до конца загадку упрямого герцогского фонтана.
Это сделал за Галилея его ученик, Эванджелиста Торричелли.
Смелой, более того — дерзновенной была попытка Торричелли! Он пошел напролом против старых воззрений. Девятнадцать веков уже держался в науке взгляд, высказанный великим греческим ученым Аристотелем: «Воздух — начало вещей, невесомое ничто». Именно Аристотелю принадлежат крылатые, но полные тайны слова: «Природа боится пустоты». Другой греческий ученый — Анаксимен из Милета — утверждал: «Дыша, мы вдыхаем часть всемирной жизни. И нас, и все в природе питает воздух». Третий эллин — мудрец Диоген — говорил: «Воздух также и душа».
Воздух считался чем-то непонятным, чуть ли не священным.
И хотя люди, наблюдая испокон веков действие ветра, воочию убеждались в том, что воздух оказывает давление, и широко пользовались его энергией на своих парусных судах и ветряных мельницах, в науке безраздельно господствовала аристотелевская точка зрения. Наблюдал работу ветра, конечно, и сам Аристотель. И, по-видимому, усомнившись в своих взглядах, он попытался, как гласит легенда, взвесить воздух. Ученый взял два одинаковых кожаных бурдюка из-под вина. Один бурдюк он сжал, сплющил и в таком виде взвесил. А второй бурдюк, перед тем, как взвесить, раздул ртом, что было силы. Никакой разницы в весе Аристотель не обнаружил. Но вовсе не потому, что воздух невесом. А потому, что в самом опыте был допущен грубый просчет: Аристотель взвешивал воздух в воздухе. А из такого взвешивания ничего путного не получится. И ученый, не заметив ошибки, еще раз категорически заявил: «Да, воздух невесом!»
Еще задолго до Галилея, около 1560 года, итальянец Джамбатиста делла Порта основал «Академию секретов природы» и ставил опыты по изучению свойств воздуха. Эти опыты опровергали старые представления о невесомости воздуха. Однако Порта был заподозрен инквизиторами в ереси и колдовстве. Ему грозила обычная участь всех еретиков — сожжение на костре. Лишь ценой отказа
от своих взглядов и закрытия «Академии» Порта удалось избежать мучительной смерти.
Аристотелевское учение о воздухе по-прежнему продолжало незыблемо держаться в науке. И оно держалось вплоть до середины XVII столетия, когда Торричелли опроверг его.
Задумавшись над загадкой злополучного герцогского фонтана, Торричелли в 1643 году решил опытным путем добраться до истинных причин упрямства водяного столба, не пожелавшего преодолеть 32-футовый барьер. Торричелли не стал повторять опыт Галилея с бутылью. Торричелли рассуждал так: «Если я попытаюсь уравновесить водяной столб вышиною в тридцать два фута, то где я достану такую большую стеклянную трубу, с помощью которой смогу воочию наблюдать действие веса воздуха?» Торричелли понял, что вода, как жидкость, для задуманного опыта не пригодна. И ученый сделал еще один смелый шаг вперед. Он взял для опыта не воду, а «живое серебро» — ртуть, которая в 13,6 раза тяжелее воды. Значит, можно было взять во столько же раз более короткую трубку.
Торричелли приготовил стеклянную трубку около трех футов длиною, запаял ее с одного конца и наполнил ртутью. Потом заткнул открытый конец трубки пальцем, перевернул ее и погрузил в чашку со ртутью. Уже под уровнем ртути в чашке Торричелли отнял палец. И что же? Ртуть не вылилась из трубки. Уровень ее несколько понизился и остановился на определенной высоте.
Из своего опыта Торричелли сделал исключительно важный вывод, начисто опровергший старые воззрения о «трусости» природы. Он заявил: «До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опуститься, находится внутри верхней части сосуда — в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я же утверждаю, что причина лежит вне сосуда, происходит извне: на поверхность жидкости давит воздушный столб».
Это и был знаменитый опыт со ртутным барометром— прибором, отмечающим атмосферное давление. Он получил свое название от двух греческих слов: «барос» — «вес», «тяжесть» и «метрео» — «меряю», «измеряю». Слово «барометр» придумал английский ученый Роберт Бойль.
Уже в самом названии прибора воплощено понятие о давлении воздуха.
Торричелли прославил себя на вечные времена.
Во-первых, он неопровержимо доказал, что «невесомое ничто» на самом деле имеет вес.
Во-вторых, выяснил, что упрямая вода не могла подняться с помощью всасывающего насоса выше 32 футов, сколько бы герцог Тосканский ни гневался: ведь наступало полное равновесие между атмосферным давлением и давлением 32-футового столба воды в трубе насоса. В этом и заключался секрет упрямства фонтана, секрет, неведомый ни герцогу, ни его просвещенному духовнику.
В-третьих, Торричелли «создал» пустоту, ту самую, которой будто бы боялась природа. С той поры разреженное пространство над столбиком ртути в барометре получило название «торричеллиевой пустоты». В честь Торричелли позднее ввели единицу давления атмосферы — «тор», равную одному миллиметру ртутного столба.
Когда Торричелли в 1647 году скончался, на его могиле в городе Фаэнца поставили памятник в виде одиннадцатиметровой колонны с прикрепленной к ней стеклянной трубкой — барометром, наполненным оливковым маслом. А внизу, среди живых цветов бьют струи воды, словно напоминая о разгадке секрета герцогского фонтана. ..
За год до смерти Торричелли французский физик Блэз Паскаль подметил, что высота столбика ртути в барометре не всегда одинакова. Паскаль приписал это колебание перемене в атмосферном давлении. Кроме того, Паскаль предположил, что высота столбика ртути должна зависеть и от того, на какой высоте от уровня моря находится барометр.
Чтобы проверить свою догадку, Паскаль начал серию опытов с барометрами. Сначала он устроил водяной, а потом и винный барометр. Это были приборы-гиганты. Например, трубка винного барометра имела в высоту
46 футов (более 15 метров). С таким прибором трудно было вести наблюдения — не приставлять же к нему пожарную лестницу! Поэтому все дальнейшие опыты Паскаль проделывал с ртутным барометром.
Паскаль поднялся на 52-метровую башню святого Иакова и заметил, что уровень ртути понизился на 5 миллиметров. Паскалю хотелось проверить это наблюдение на большей высоте от уровня моря. Но в местности, где он жил, не было гор. Тогда ученый написал письмо своему родственнику Перрье, жившему в Клермоне — горной местности Франции, и попросил его подняться с барометром на вершину горы Пюи де Дом, высота которой превышает 1400 метров. 19 сентября 1648 года Перрье выполнил просьбу Паскаля. В ответном письме он сообщал, что столбик ртути в барометре на вершине горы понизился до 615 миллиметров. На уровне же моря барометрический столбик возвышается, как известно, на 760 миллиметров.
Эти наблюдения еще раз подтвердили, что воздух имеет вес.
Паскаль даже сочинил книгу под названием «Сколько весит воздух, находящийся на Земле?» Оказалось, что весит он немало. Положим мысленно на одну чашку весов всю атмосферу, окружающую Землю. Как подсчитал советский физик профессор Б. П. Вейнберг, на другую чашку придется положить для ее уравновешивания 13 Больших Кавказских хребтов или «гирьку» в пять квадриллионов тонн (точнее: 5,27-1015). По подсчетам самого Паскаля, столько же весил бы слой воды, покрывающий Землю на высоту 10 метров...
Вот так невесомое ничто!..
Так как воздух имеет вес, то он давит на все находящиеся в нем тела. С какой же силою давит воздух? Произведем подсчет. Столбик ртути высотой в 76 сантиметров и поперечным сечением в один квадратный сантиметр весит 1033 грамма. Этот столбик уравновешивается давлением атмосферы. Значит, воздух давит с силой 1033 грамма на каждый квадратный сантиметр. Это давление называют нормальным атмосферным давлением, или — кратко — одной атмосферой. В технике условились считать одной атмосферой давление в один килограмм на каждый квадратный сантиметр.
На страницу этой книги воздух давит с силою почти в четверть тонны.
Одновременно с Паскалем и Торричелли много и плодотворно занимался опытами с воздухом Отто фон Герике — бургомистр немецкого города Магдебурга. Это был весьма образованный человек. Он прошел основательный курс
наук в Иене и Лейпциге, изучал физику, математику, механику, юридические науки, побывал во Франции и Англии.
Свои замечательные исследования Герике начал, пользуясь дубовой бочкой из-под вина. Вот как он сам описал один из своих опытов, поставленных в 1643 году:
«Винная или пивная бочка наполнялась водой и тщательно заделывалась, чтобы воздух не проходил. Внизу бочки приставлялся медный насос; с его помощью выкачивалась вода, которая по естественной тяжести должна опускаться, оставляя за собой пустое пространство без воздуха или иного тела. Я взял насос, который употреблялся на пожарах... Насос имел два кожаных клапана, из которых внутренний — в отверстии насоса — служил для вхождения воды, а внешний — для выпускания ее... Три сильных человека едва могли выгнать воду через внешний клапан. Слышался звук во всех частях бочки, как будто звук воды сильно кипящей, и продолжался, пока бочка на место выкачанной воды наполнилась воздухом. Сделана была малая бочка и вставлена в большую. Насос с длинной шейкой, проделанной сквозь стенку большой бочки, прикреплялся к малой, наполненной водою. В большую была также налита вода, и работа возобновилась. Вода была вытянута из малой бочки и вместо себя оставила, несомненно, пустое пространство. Но когда день склонился к вечеру, работы кончились и всякий шум умолк, слышен был изменчивый и прерывистый звук, точно поющей птички, и так целых три дня. Наконец открыто было отверстие малой бочки и найдено, что она в значительной степени наполнена водою и воздухом... Все были удивлены, что вода проникла в бочку, которая была так тщательно заделана. Для меня же было ясно, после повторенных опытов, что под сильным давлением вода прошла сквозь дерево...»
Воздух давит с большой силой! Такой вывод сделал из своих опытов магдебургский бургомистр.