Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

После этого Отто, будучи любителем разных изобретений, повесил на своем доме необычный барометр — в виде медно-стеклянной трубки, опущенной в бассейн с водой. Когда из трубки был откачан весь воздух, вода из бассейна поднялась и впоследствии меняла свой уровень только в зависимости от температуры извне.

Так в научном мире сформировалось представление о воздухе как об особом виде материи, которая давит на нас своим весом и сжимает предметы, в которых воздуха нет. Безвоздушное пространство получило название вакуума.

Во второй половине XVII в. в Европе началась промышленная революция, которая подстегнула новые научные открытия. Так, в связи с добычей полезных ископаемых требовались насосы для откачивания воды из шахт (именно это поспособствовало открытию давления «упругого» воздуха). Фабрики по производству тканей нуждались в паровых машинах, которые приводили бы в движение станки. Развитие международной торговли не могло обойтись без новых транспортных средств… Это побудило ученых приступить к тщательному изучению газа — в широком смысле слова.

А началось все с научного спора. Блез Паскаль и Отто фон Герике опытным путем пытались доказать, что воздух упругий. Так, Паскаль клал надутый кожаный мешок в вакуумную камеру, и при отсутствии давления извне шар раздувался. Герике соединял две колбы, одна из которых была с воздухом, а другая без, и из первой большим напором направлял воздушную струю во вторую, вследствие чего легкие предметы внутри нее разлетались, а сдутый бычий пузырь превращался в шар. С другой стороны, Франциск Линус объяснял действие насоса сцеплением частиц воды и воздуха посредством крючков, а движение ртутного столба в трубке барометра — присутствием там какой-то невидимой материи, которая «дергает» ртуть за нити-фуникулы.

Предметом этих дебатов заинтересовался англичанин Роберт Бойль (1627–1691). Поддерживая идеи Паскаля и Герике, он сам провел серию экспериментов с выкачиванием воздуха из сосуда (для чего предварительно усовершенствовал насос, изобретенный Р. Гуком) и сделал несколько чудесных открытий. Во-первых, что перо и камень в безвоздушном пространстве падают с одинаковой скоростью. Во-вторых, что животные и растения без воздуха жить не могут. В-третьих, что в пустом сосуде гаснет огонь и не слышен звук, что дым, чуть поднявшись, опускается силой тяжести, а вода по трубке не течет. И что трение тел даже в пустоте создает тепло. Все это дало Бойлю основание опровергнуть теорию французского ученого Рене Декарта, согласно которой пустоты не существует, а безвоздушное пространство заполнено особой материей — эфиром. «Нет никакого эфира», — категорично заявил Бойль (кстати, именно он придумал слово «вакуум», что с латыни так и переводится как «пустой»).

В 1660 г. Бойль дописал труд «Новые физико-механические эксперименты относительно воздуха», где изложил не только результаты своих опытов, но и собственную теорию о том, что представляет собой воздух. Раскритиковав идею Аристотеля о четырехэлементном составе всех физических тел (из земли, огня, воды и воздуха), Бойль тем не менее принял и развил концепцию атомов. Мол, воздух состоит из мельчайших частиц-корпускул, которые испаряются от разных предметов и пребывают в непрерывном хаотическом движении, создавая иллюзию единой текучей массы. Таким образом, Бойль первым сказал, что нас окружает смесь разных газообразных веществ.

Два года спустя ученый и его помощник Ричард Таунли определили, что давление газа увеличивается ровно настолько, насколько уменьшается его объем, а значит, если измерить объем емкости с газом, то можно вычислить силу, с которой он давит на стенки сосуда. Исследователи загнули стеклянную трубку так, чтобы обе ее части были параллельны, но одна длиннее другой. Короткую часть запаяли, а в длинную налили ртуть и подождали, пока уровень жидкости в обеих частях сравняется. Затем Таунли стал доливать ртуть, и в конечном счете жидкость в короткой части поднялась, но не до конца трубки, а так, что остался воздушный зазор. В целом же уровень ртути в длинной части оказался на 72 см выше, чем в короткой, и Бойль заключил, что воздух в этом ответвлении сжался вдвое, а Таунли сделал главный вывод: давление воздуха на ртуть увеличилось тоже в 2 раза. После ученые поэкспериментировали, нагревая и охлаждая короткий конец трубки мокрой тканью и огнем свечи, и эти опыты показали, что тепло расширяет воздух больше, чем холод.

Все свои опыты Бойль детально изложил в трудах, которые были изданы во всех странах Европы, а 15 лет спустя вышла книга «Речь о природе воздуха», написанная французским аббатом Эдмом Мариоттом (1620–1684). Аббат рассказывал о якобы проведенных им экспериментах, точь-в-точь повторяющих исследования Бойля, однако имени английского ученого не называл, словно хотел присвоить его славу себе.

Между тем труд француза сильно проигрывал работе Бойля. Если Роберт делал измерения с точностью до миллиметра, то Эдм измерял ртутный столб в дюймах (1 дюйм составляет 2,5 см). Если Бойль сравнивал все расчеты с наблюдениями и допускал погрешность замеров, то Мариотт настаивал на четком соответствии эмпирических и расчетных данных. Если ученый делал выводы осторожно и оценивал свои открытия критически, называя их всего лишь гипотезой, то аббат безапелляционно заявлял: все увиденное в ходе экспериментов является чуть ли не основой мироздания. И хотя в большинстве учебников физики пишется, что Мариотт опытным путем проверил и подтвердил заключения Бойля, это не так: на самом деле закон Бойля — Мариотта сформулировали Бойль и Таунли.

Тем не менее именно Мариотт указал на практическое применение данного закона — к примеру, предложил использовать показания барометра для определения высоты. Воспользовавшись этим советом, английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742) вывел формулу зависимости давления атмосферы от высоты. В двух словах она звучит так: по мере возрастания высоты в арифметической прогрессии атмосферное давление уменьшается в геометрической прогрессии.

В конце XVIII — начале XIX вв. французские ученые Ж. Гей-Люссак (1778–1850) и Ж. Шарль (1778–1850) отдельно друг от друга исследовали поведение газов в разных условиях и выяснили вот что: при неизменном объеме газа его давление будет расти прямо пропорционально увеличению температуры, а если удерживать давление на одном уровне, то с нагреванием газ будет расширяться, занимая все больший объем.

Впоследствии все соотношения, найденные в ходе экспериментов Бойля, Гей-Люссака и Шарля, помогли русскому химику Д. Менделееву и английскому инженеру Б. Клайперону сформулировать общий закон для идеального газа. Согласно этому закону, если умножить объем газа на его давление и разделить полученное число на температуру, получится универсальная постоянная. То есть давление, объем и температура газа тесно взаимосвязаны.