Читать книгу «Мыслящий тростник». Жизнь и творчество Паскаля в восприятии русских философов и писателей - Борис Тарасов - Страница 7

Итак, одна из фундаментальных аксиом старой физики, опиравшейся на авторитет Аристотеля вплоть до XVII века, состояла в том, что природа боится пустоты, то есть в природе нет и не может быть пространства, которое не было бы заполнено каким-либо твердым, жидким или газообразным веществом. Пристрастие Аристотеля к формально-логическим умозрительным построениям, установление понятия абсолютно легкого и абсолютно тяжелого заставляли его считать, что воздух не может оказывать давления на воду. Поэтому для объяснения явлений всасывания жидкостей Аристотелю, как уже говорилось, пришлось принять гипотезу, что «природа не терпит пустоты» (horror vacui).

В силу этой гипотезы, примененной к конкретным инженерным проблемам, считалось, например, незыблемым, что вода может подниматься за поршнем на какую угодно высоту. Древние, писал Паскаль, вообразили, будто насос поднимает воду не только на 10 или 20 футов (что является очевидной истиной), но и на 50, 100 футов и вообще на любую желаемую высоту без всяких ограничений, а «наши устроители фонтанов даже сегодня утверждают, что они могут изготовить всасывающие насосы, которые могут поднять воду на высоту 60 футов».

Однако опытные данные явно противоречили подобным утверждениям. Сооружая в саду великого флорентийского герцога Козимо II Медичи фонтаны, устроители столкнулись с озадачившим их явлением: вода за поршнем поднималась по трубе только на 34 фута. Инженеры проверили свою машину, она оказалась в полном порядке, но вода тем не менее не поднималась выше. Когда обратились за объяснением к Галилею, то ученый ответил: природа-де боится пустоты, но вероятно эта боязнь не распространяется выше 34 футов. Галилей не мог удовлетворительно объяснить причин ограниченности высоты, на которую может подниматься жидкость в насосе. Это видно и из его «Бесед и математических доказательств, касающихся двух новых наук», которые написаны им в форме диалога в 1638 году. Участник научной дискуссии, приводимой в «Беседах…», дает пример, из которого следует, что ни насосами, ни другими всасывающими машинами нельзя поднять воду выше 18 локтей. Галилей устами другого участника диалога так объясняет это явление: «А так как каждое действие должно иметь одну истинную и ясную причину, я же не нахожу другого связующего средства, то не удовлетвориться ли нам одной найденной причиною – пустотою, признав ее достаточность?». Галилей, как видим, остановился при разрешении этой проблемы на знаке вопроса, не связав «боязнь пустоты» с воздушным давлением.

В то время многие сторонники пустоты, пишет итальянский историк физики Льоцци, признавали, что воздух обладает «абсолютным» весом, то есть весом воздуха, «вынутого из атмосферы»: «это может показаться весьма странным современному читателю, но для первых физиков воздух в воздухе ничего не весил, так же, как и вода в воде… Но отрицать, что часть жидкости, находящаяся внутри жидкости, имеет вес, значит отрицать, что внутри массы жидкости уравновешиваются давления, приложенные к этому весу. Иными словами, наличие веса у воздуха не приводило к выводу об атмосферном давлении, а в некотором смысле даже исключало его».

Важный вклад в решение этих вопросов был сделан учеником Галилея Торричелли. Торричелли в качестве экспериментального материала стал использовать не воду, а ртуть, которая, будучи тяжелее воды в 13,6 раза, должна была, по его мысли, подняться на высоту, во столько же раз меньшую. Так оно и случилось.

Знаменитый опыт Торричелли, проведенный им совместно с другим учеником Галилея Вивиани в 1643 году, состоял в следующем: стеклянная трубка длиной четыре фута, один конец которой открыт, а другой герметически закупорен, наполнялась ртутью. Затем отверстие закрывалось пальцем, а трубка опрокидывалась в чашку со ртутью. Когда погруженное в чашку отверстие открывалось, то ртуть в трубке опускалась до определенной высоты (около 76 сантиметров), оставаясь потом на этом уровне. Образовавшееся над ртутью пространство было названо позднее торричеллиевой пустотой. Сама же трубка представляет собой прибор, названный впоследствии Бойлем барометром, так как высота ртутного столба соответствует величине атмосферного давления.

В результате эксперимента Торричелли пришел к выводу, что ртуть в трубке удерживается не «боязнью пустоты», а весом воздуха, давящего на открытую поверхность ртути в чаше. Пространство же, образующееся над ртутью в трубке, есть, по его мнению, пустое пространство. Таким образом, Торричелли связал проблему «пустоты» с весом и давлением воздуха, но однозначного и четко сформулированного доказательства наличия атмосферного давления им не было сделано. Гипотезу о тяжести и давлении воздуха поддерживали в то время уже многие ученые, однако не приводили в защиту своего мнения веских и систематически обоснованных решений. Что же касается пространства в верхней части трубки, то большинство, вопреки Торричелли, было убеждено, что оно заполнено каким-либо (невидимым) веществом. «Волнение, вызванное в ученой среде торричеллиевой трубкой, – пишет Льоцци, – сравнимо лишь с интересом, вызванным галилеевой подзорной трубой. Между перипатетиками, картезианцами и экспериментаторами разгорелась яростная дискуссия».

Вскоре опыт Торричелли стал известен среди всех ученых Франции. Некоторые заинтересовались этим экспериментом и пытались воспроизвести его, но безуспешно: в то время было сложно изготовить прочное экспериментальное оборудование необходимых размеров, и стеклянные трубки часто лопались под тяжестью ртути.

В октябре 1646 года у Этьена Паскаля гостил проездом в Дьепп один из его знакомых, Пьер Пети, интендант фортификаций, увлекавшийся физическими опытами. Вблизи Дьеппа несколько лет назад полусгорел и затонул военный корабль, оттого что один матрос неосторожно закурил возле бочки с порохом. Обломок корабля должен был содержать 40 тысяч экю. Предприимчивый марселец Жан Прадин якобы изобрел и построил подводный аппарат, на котором можно «находиться шесть часов под водой с зажженной свечой», и собирался основательно прочесать подводный мир. Пети сгорал от нетерпения присутствовать на неслыханном зрелище. Он знал об эксперименте Торричелли и сообщил о нем семейству Паскалей. На обратном пути из Дьеппа Пети вновь остановился в Руане и повторил совместно с Блезом этот эксперимент, результаты которого оказались сходными с результатами итальянского опыта. Размышляя по поводу этого опыта, Паскаль отмечал, что он еще более утвердился во мнении, которое всегда разделял, что пустота не является чем-то невозможным и что природа не избегает пустоты с такой боязнью, как многие воображают.

Но мнение мнением, а простого повторения опыта было совсем недостаточно для категорического утверждения вытекавших из него следствий. Да и сам Блез не был окончательно уверен в своих заключениях; к тому же многочисленные противники «пустоты» заявляли, что верх трубки заполнен либо разреженным воздухом, либо испарениями жидкости, либо мировым эфиром, тонкой материей Декарта и т. д. Поэтому необходимы были новые и разнообразные опыты, решающие эксперименты, основывающиеся на твердых аксиомах и систематических доказательствах, а не на интуитивных догадках.

За эти-то опыты и принялся Блез со свойственной ему пылкой последовательностью. Для опровержения наличия в верхней части трубки разреженного воздуха он использует трубки различных форм (прямые, наклонные, оканчивающиеся стеклянным баллоном и т. д.). Если бы там имелся разреженный воздух, то высота ртути в трубке со стеклянным баллоном была бы ниже, чем в прямой трубке, так как в первой должно содержаться больше воздуха, чем во второй. Для опровержения гипотезы с парами жидкости Паскаль заказывает в мастерской, производящей стеклянные изделия, две стеклянные трубки длиной более двенадцати метров. Это было невероятно трудное для того времени дело, требовавшее к тому же больших денежных затрат. Стеклянные мастерские в Руане славились своими добротными изделиями, и трубки в конце концов были изготовлены. Их привязывают к корабельной мачте, находящейся прямо во дворе мастерской, и заполняют одну вином, а другую водой.

Многие любопытствующие жители Руана толпятся вокруг, наблюдая за течением опыта и действиями экспериментаторов (в одном из писем Паскаль замечал, что на подобной демонстрации присутствовало однажды около пятисот человек разных сословий и званий). Каков же должен быть результат, если верна гипотеза с парами ртути? Вино испаряется быстрее воды, и, следовательно, испарения вверху трубки с вином должны занимать большее место, а жидкость соответственно находиться на более низком уровне, чем в трубке с водой. При измерении же уровень жидкости составил 31 фут для воды и 31 фут 8 дюймов для вина. Итак, еще одна гипотеза была опровергнута.