Взламывая планету Земля

Это изображение подводной лодки Дреббеля, погруженной в воду, было скорее попыткой выдать желаемое за действительное. Воды Темзы, протекающей через Лондон, никогда не были достаточно прозрачными, чтобы можно было увидеть судно под водой — тем более в XVII веке, до изобретения канализации.

Атмосферное давление

«Природа не терпит пустоты» — это изречение уходит корнями во времена Аристотеля и античности. Но исследования возможности существование вакуума, привели к новому пониманию свойств атмосферы и созданию важнейшего инструмента для предсказания погоды.

С помощью ртутного столба Торричелли удалось доказать существование атмосферного давления, и это имело далеко идущие последствия не только для метеорологии, но и для фундаментальных наук, таких как физика и химия.

Эта история, как и многие научные истории XVII века, связана с именем Галилео Галилея, который уже прославился своими открытиями об устройстве Солнечной системы. В 1630 году, когда он был на пике славы, его попросили объяснить, почему сифонный насос не может поднять воду на холм. В то время принцип действия видели в том, что насос будет втягивать воду через сифон, создавая, по меньшей мере, возможность вакуума. Вода будет заполнять образовавшуюся пустоту, подчиняясь емкому афоризму Аристотеля, и потечет по трубе. Галилей предположил, что даже у силы вакуума есть свой предел. После смерти Галилея его помощник Эванджелиста Торричелли вернулся к этой проблеме и исследовал ее на модели сифона, уменьшенной в 10 раз. Он запаял один конец стеклянной трубки и наполнил ее ртутью, плотность которой в 14 раз больше плотности воды, и поместил открытый конец трубки в чашу с ртутью.

Уровень ртути в трубке всегда падал до 76 см. Оказалось, что у ртутного столба есть своя предельная высота, и она примерно в 14 раз меньше предельной высоты водяного столба в сифоне.

Вечный двигатель

Корнелиус Дреббель зарабатывал на жизнь, развлекая европейских правителей демонстрацией своих изобретений. Кроме подводной лодки, он также представил «перпетуум мобиле», или вечный двигатель. Это была хитроумная конструкция — кольцо из стеклянной трубки, заполненной водой, где с одной стороны было отверстие, а с другой — пузырь воздуха. Дреббель очень зрелищно демонстрировал, как вода постоянно перемещается в трубке. Он объяснял это приливными силами и астрологией, меняя объяснения в зависимости от собравшейся аудитории. Считается, что Шекспир в пьесе «Буря» 1611 года создал персонажа Ариэль, духа, порабощенного волшебником Просперо, вдохновившись «вечным двигателем» Дреббеля. На самом деле это устройство работало за счет естественных изменений температуры и давления воздуха, из-за чего вода перемещалась туда и обратно. Ученые того времени интересовались менее сложными J-образными версиями этого прибора, которые были прообразами термометров.

Это стало для Торричелли достаточным основанием, чтобы перевернуть теорию насосов и вакуума с ног на голову. Он обнаружил, что жидкость поднимается не за счет тяги, создаваемой вакуумом, а потому, что на нее давит вес воздуха. Столб достигал предельной высоты, когда его вес уравновешивался весом воздуха. Это снискало Торричелли славу изобретателя барометра — устройства для измерения атмосферного давления, хотя другие пытались сделать это и до него.

Подъемы и спады

В 1647 году Торричелли умер от тифа, и в следующем году француз Блез Паскаль продолжил его исследования. Он послал своего зятя Флорена Перье в Клермон-Ферран, к подножию Пюи-де-Дом — потухшего вулкана высотой 1460 м. Перье установил один ртутный барометр в городе, где на протяжении всего дня уровень ртути оставался неизменным, а другой такой же прибор взял в горы. Перье педантично замерял уровень ртути по мере своего восхождения и при каждой остановке обнаруживал, что чем выше он поднимался, тем ниже опускался уровень ртутного столба. Как и предполагал Паскаль, атмосферное давление падало с увеличением высоты, поскольку вес воздушного столба уменьшался. Но и на уровне моря давление время от времени колебалось. Падение уровня ртутного столба вскоре связали с периодами переменчивой, дождливой погоды, в то время как высокое давление предвещало погоду тихую и ясную. Однако в то время никто не понимал, почему это происходит.