Научная революция XVII века - Владимир Кирсанов

Знаменитый опыт Торричелли по обнаружению атмосферного давления был поставлен по его поручению Вивиани в 1643 г. с целью обнаружить величину «сопротивления образования пустоты», о которой говорил Галилей. Он не был опубликован, однако в письме своему другу Микеланджело Риччи Торричелли его подробно описывает [19, с. 97]. Стеклянную трубку, длиной около метра, запаянную с одного конца, наполняют ртутью и погружают открытым концом вниз в чашу со ртутью, при этом ртуть в трубке опустится, остановившись на уровне «в один локоть с четвертью и еще палец». Торричелли так объясняет полученный им результат: «До сих пор думали, что эта сила, которая удерживает живое серебро [ртуть] от его естественного стремления упасть вниз, обусловлена сосудом, или пустотой, или некоей весьма разреженной субстанцией, но я утверждаю, что она внешняя, что сила приходит извне. На поверхность жидкости в чашке давит тяжесть 50 миль воздуха... В такой же трубке, но значительно более длинной вода поднимается на высоту 18 локтей, т. е. во столько раз выше ртути, во сколько раз ртуть тяжелее воды, для того чтобы уравновесить ту же самую причину, оказывающую давление и в том, и в другом случае» [19, с. 97-98].

Интересно отметить, что Торричелли в это время был поглощен математическими исследованиями циклоиды (которой вскоре заинтересуется Гюйгенс), поэтому он не позаботился о публикации своего поразительного эксперимента. Но тем не менее его опыт стал известен всей Европе благодаря Мерсенну: в 1644 г. Риччи написал ему о нем, и вскоре сообщение о результатах Торричелли стало сенсацией в кругу французских ученых, особенно оно заинтересовало Паскаля.

Паскаль рассудил, что если столб ртути удерживается просто давлением воздуха, то этот столб должен быть меньше на возвышенных местах. Он пытался это проверить, проводя эксперименты на парижских колокольнях, но для ощутимого результата разница высот была слишком мала. Поэтому он написал своему деверю, чтобы тот проделал этот опыт на Пюи де Дом, самой высокой горе в Оверни, Получилась разница в три дюйма для величины столба ртути у подножья горы и на ее вершине. Паскаль повторил эксперимент Торричелли со стеклянной трубкой длиной 46 футов, наполненной красным вином (очевидно, стеклянные трубки для вина было легче достать). Кроме того, была показано, что пузырь, наполненный воздухом, раздувался на вершине горы и сжимался у ее подножья.

Среди замечательных ученых и мыслителей XVII в. имя Блеза Паскаля (1623—1662) занимает особое место. Слабый и болезненный от рождения, фанатически приверженный идеям религиозного аскетизма, Паскаль лишь малую часть своей короткой жизни посвятил науке, однако то, чего ему удалось достигнуть в математике и физике, создало ему славу одного из гениальных предшественников современного естествознания.

Паскаль родился в маленьком городке Клермон-Ферране на юге Франции. Его отец был президентом податной палаты и довольно известным математиком-любителем (одна из замечательных математических кривых — «улитка Паскаля» названа так в честь Паскаля-отца). В 1631 г. семья переселилась в Париж, где дом Паскаля стал местом собраний кружка выдающихся ученых и мыслителей, из которого вскоре образовалась Парижская академия наук.

Блез Паскаль рос необычайно одаренным мальчиком — первое его научное сочинение о свойствах звука было написано, когда ему едва исполнилось 12 лет. Образование он получил дома под руководством отца, немалую роль сыграло тут и общение с такими выдающимися умами Франции, как Мерсенн, Роберваль и Каркави. В возрасте 16 лет он доказывает так называемую теорему Паскаля о шестиугольнике, вписанном в коническое сечение, которая была опубликована в 1641 г. и оказала заметное влияние на развитие современной геометрии.

Другим выдающимся достижением Паскаля в геометрии были исследования, относящиеся к циклоиде. Продолжением этих работ были исследования по интегрированию и исчислению бесконечно малых. Паскаль шел по стопам знаменитого итальянского математика Кавальери; он расширил и углубил его исследования, связав метод неделимых, изобретенный Кавальери, с суммированием рядов. Впоследствии великий Лейбниц признавался, что использовал работы Паскаля при создании дифференциального и интегрального исчисления.

В 19 лет Паскаль изобрел счетную машину, и в 1645 г. им было опубликовано подробное описание устройства этой машины, предназначенной для воспроизводства четырех арифметических действий. В последующее десятилетие им был изобретен «арифметический треугольник», образуемый биномиальными коэффициентами и имеющий применение в теории вероятностей. Трактат об этом треугольнике был написан Паскалем в 1645 г., однако опубликован лишь после его смерти. В частности, в этом трактате впервые был применен для доказательства метод полной индукции, нашедший в дальнейшем широкое применение в математике. Начиная с 1647 г. Паскаль в течение шести лет занимался физическими исследованиями, повторив барометрические опыты Торричелли. В дальнейшем Паскаль показал, что с помощью барометра можно производить измерение высот, а также он открыл существование связи между показаниями барометра и изменением погоды. Главным достижением Паскаля в физике было открытие основного закона гидростатики, известного ныне как закон Паскаля. Эти замечательные результаты были им изложены в двух работах — «Трактате о тяжести воздуха» (1653) и «Трактате о равновесии жидкостей» (1653), которые были опубликованы лишь после его смерти, в 1663 г.

После 1653 г. Паскаль окончательно порывает с занятиями наукой и удаляется в монастырь янсенистов в Пор-Рояле, целиком посвятив себя религии. Принятию такого решения способствовало крайнее неустойчивое психическое состояние, вызванное изнурительной работой, смертью горячо любимого отца (1651) и любовной неудачей. В 1657 г. появились знаменитые «Письма к провинциалу» — религиозный памфлет, направленный против иезуитов, сыгравший выдающуюся роль в борьбе против иезуитов во Франции. После смерти Паскаля были изданы «Мысли», составившие ему славу одного из выдающихся писателей Франции.

В коротком «Трактате о равновесии жидкостей» Паскаль провозгласил закон, гласящий, что давление, оказываемое на жидкость, передается во все стороны равномерно и равно одной и той же силе, действующей перпендикулярно по отношению к площадкам равной площади. С помощью опытов он показал, что давление жидкости на поверхность зависит только от высоты столба жидкости. Несколько сосудов различной формы имели подвижное дно одинаковой площади, которое, как поршень, входило в их нижнюю часть. Дно удерживалось нитью, один конец которой прикреплялся к нему, проходя внутри сосуда, а к другому концу, перекинутому через блок, подвешивался груз. Дно опускалось, когда высота столба воды достигала определенной, одинаковой для всех сосудов, высоты. Паскаль брал также два поршня, запирающие жидкость в замкнутом сосуде, так что площадь поверхности одного была в 100 раз больше площади поверхности другого. Сила одного человека, действующая на первый поршень, уравновешивала силу 100 человек, действующую на второй поршень. «Таким образом, из этого следовало, что сосуды заполненные жидкостью, представляют собой новый принцип механики и новую машину для умножения усилий во сколько угодно раз» {21, III, с. 85].

Доктрина «боязни пустоты» была преодолена благодаря экспериментальным исследованиям во Франции и Италии. Затем они были продолжены в Германии, где изучением проблемы вакуума занялся Отто фон Герике.

Герике (1602—1686) происходил из знатной магдебургской семьи. Он учился в немецких университетах, а также в Лейдене, а затем путешествовал по Англии и Франции. Во время Тридцатилетней войны Магдебург в 1631 г. был разграблен, и Герике со своей семьей едва спасся. Впоследствии он зарабатывал себе на жизнь как инженер в армии Густава-Адольфа. В 1646 г. он стал бургомистром Магдебурга.

Спор относительно вакуума навел его на мысль проверить факты экспериментально. Он говорил, что «красноречие, элегантность выражений и искусство спора ничего не создадут в области естественных наук». В 1663 г. он закончил написание своей книги «О пустом пространстве», которая была напечатана лишь в 1672 г.

Сначала для опытов Герике взял винный бочонок, наполненный водой, и попытался выкачать жидкость с помощью бронзового насоса, приделанного к низу бочонка. Однако обручи и железные винты, крепящие насос к бочонку, пропускали воздух. После того как крепления были сделаны более тщательно, трое сильных мужчин, тянувших за поршень, наконец, добились того> что вода пошла из бочонка. При этом был слышен такой звук, как будто бы оставшаяся жидкость внутри бочонка испытывала бурное кипение, и это продолжалось до тех пор, пока воздух не занял место выкачанной воды.