ГЛАВА IV
Паскаль как физик и экспериментатор. – “Эфирная материя” Декарта и его мнение о барометрических опытах. – Опыты Паскаля и Перье. – Трактаты Паскаля о равновесии жидкостей и о давлении воздуха
В начале XVII века физические знания находились еще в довольно хаотическом состоянии, и прогресс со времен Аристотеля и Архимеда был весьма незначителен.
Одним из наиболее распространенных в то время заблуждений, господствовавших и в ученом мире, и среди публики, было учение о так называемой “боязни пустоты”. Утверждение, будто природа боится пустоты, часто встречается у древних писателей. Что касается величайшего из греческих философов и естествоиспытателей, Аристотеля, он понимал “боязнь пустоты” совсем в особом смысле, почти так, как понимали ее позднее Декарт и его последователи. По мнению Аристотеля, абсолютно пустого пространства вовсе не существует, и в этом-то смысле он говорил, что природа боится пустоты. Позднее комментаторы Аристотеля поняли дело иначе и вообразили, что природа обладает непреодолимым стремлением заполнить всякую образующуюся пустоту: таким образом, физические явления пытались объяснить присущими лишь чувствующим и мыслящим существам свойствами, вроде способности ощущать боязнь или испытывать стремление.
В пользу этого учения, по-видимому, говорили многие общеизвестные в то время факты, вроде поднятия воды в насосе, действия кровососных банок и т. п. Было замечено, что жидкие и воздухообразные вещества быстро наполняют пустое пространство, как только могут в него проникнуть. При этом воображали, что “боязнь пустоты” совершенно неограниченна. Были твердо убеждены в том, что если, например, сделать насос и трубку в пятьсот футов или какой угодно высоты и вытянуть из нее воздух, то вода, в которую опущена эта трубка, поднимется на какую угодно высоту, “даже до облаков”. Уверяли, что присосавшуюся банку можно, хотя и с усилием, оторвать лишь по той причине, что в ней есть немного воздуха, а если бы воздух совсем отсутствовал, то “никакие человеческие силы и даже силы ангела не были бы достаточны для этого”. Одним словом, представления относительно “боязни пустоты” были в высшей степени сбивчивы и неопределенны.
В таком состоянии находилось учение о пустоте в эпоху Галилея; но одно случайное происшествие заставило физиков глубже вникнуть в суть дела. Еще при жизни Галилея рабочие, устраивавшие фонтаны в саду флорентийского великого герцога Козимо Медичи, старались поднять воду при помощи насоса и с изумлением увидели, что вода поднимается лишь до высоты тридцати четырех футов и не идет далее несмотря на то, что над нею есть еще пустое пространство. Галилей был придворным математиком герцога, и к нему обратились за объяснением. Галилей ответил, что природа, конечно, боится пустоты, но эта боязнь, по-видимому, не простирается выше тридцати четырех футов. Такой полусерьезный ответ, разумеется, не мог удовлетворить самого Галилея, и он настоятельно советовал своим ученикам предпринять опыты с целью исследования этого вопроса.
Почти в то же время Декарт создавал свою физическую теорию, в которой решительно отверг самое существование пустоты, а следовательно, и учение о боязни пустоты. Еще в 1631 году Декарт в одном из своих писем почти угадывает истину, замечая, что “столб ртути может быть удержан как раз такою силою, какая необходима для того, чтобы поднять столб воздуха, простирающийся от этого столба ртути до пределов атмосферы”. Вместо того, чтобы остановиться на этой простой мысли и развить ее опытами и рассуждениями, Декарт вскоре погрузился в тонкости своей “тончайшей материи” – нечто вроде эфира новейших физиков – и этим запутал свое собственное более простое объяснение. В позднейших письмах и сочинениях Декарт заботится уже не столько о весе и давлении воздуха, сколько о том, чтобы противопоставить пустоте (le vide) полноту (le plein). Он уже совсем пренебрежительно отзывается о Галилее и его учениках и, рассуждая о явлениях, зависящих от веса воздуха, объясняет их каким-то круговоротом материи, происходящим оттого, что в природе “вовсе нет пустого пространства”.
Между тем один из способнейших учеников Галилея, Торричелли, исполнил желание своего учителя и в 1643 году предпринял опыты по подъему различных жидкостей в трубках и насосах. Он сравнил движение воды в насосе с поднятием ртути в барометрической трубке и убедился, что ртуть, будучи приблизительно в четырнадцать раз плотнее воды, поднимается на высоту в четырнадцать раз меньшую, чем вода. Отсюда Торричелли вывел, что причиною подъема как воды, так и ртути является вес столба воздуха, давящего на открытую поверхность жидкости. Таким образом был изобретен барометр и явилось очевидное доказательство весомости воздуха – свойства, известного еще Галилею, который, однако, как и Декарт, не сумел использовать его для полного объяснения рассматриваемых явлений. Торричелли сделал значительный шаг вперед, но и его объяснение было не полно. Недостаточно знать, что высота ртути в барометре определяется весом давящего на ртуть столба воздуха: необходимо выяснить, каким образом передается давление воздуха и чем оно отличается, например, от давления твердых тел. Всего непонятнее казалось, каким образом давление воздуха может передаваться без всякой потери не только вниз, но и вверх.
Паскаль узнал об опытах Торричелли от Мерсенна. Последний еще в 1644 году получил письмо из Италии с извещением о результате этих опытов и пытался повторить их, но неудачно. В 1645 году Мерсенн сам поехал в Италию и, ознакомившись с делом на месте, сообщил подробности Паскалю. Паскаль в то время находился с отцом в Руане. Крайне заинтересовавшись сообщениями Мерсенна, он в свою очередь предпринял ряд опытов.
В то время Паскаль еще признавал “боязнь пустоты”, но считал ее не каким-то неограниченным стремлением заполнить пустое пространство, а силою, поддающеюся изменению и, стало быть, ограниченною. Вот что пишет сам Паскаль о своих первых опытах:
“Я узнал об опытах, сообщенных Мерсенном и возбудивших изумление всех ученых и любознательных людей, от господина Пети, интенданта руанской крепости, человека весьма начитанного и слышавшего об этих опытах от самого Мерсенна. Названный Пети и я, мы повторили эти опыты (то есть опыты Торричелли) в Руане и нашли как раз то самое, что было найдено в Италии, не заметив ничего нового. С тех пор, размышляя по этому вопросу, я утвердился в мнении, которое всегда разделял, а именно, что пустота не есть что-либо невозможное и что природа вовсе не избегает пустоты с такою боязнью, как это многие воображают”.
Общий ход мыслей, приведший Паскаля к его замечательным открытиям в области физики, сводится к следующему. Опыты Торричелли, сообщенные ему Мерсенном, убедили Паскаля, во-первых, в том, что есть возможность получить пустоту, если не абсолютную, то по крайней мере такую, в которой нет ни воздуха, ни паров воды. В “тончайшую материю” Декарта он не верил, а явления подъема воды в насосе и ртути в трубке сначала приписывал “ограниченной боязни пустоты”, то есть, как он поясняет, “сопротивлению, оказываемому телами их взаимному разделению”. Убедившись в недостаточности этого объяснения и отлично зная, что воздух имеет вес – это говорил уже Галилей, – Паскаль напал на мысль объяснить явления, наблюдаемые в насосах и в трубках, действием этого веса. Главная трудность, однако, состояла в том, чтобы объяснить способ передачи давления воздуха – этого не сделал даже Торричелли, а менее всего Декарт, воображавший, что все объясняется непрерывностью материи, отсутствием пустоты и “круговоротом” веществ. Что касается Паскаля, то, раз напав на мысль о влиянии веса воздуха, он рассуждал так: если давление воздуха действительно служит причиной рассматриваемых явлений, то из этого следует, что чем меньше или ниже, при прочих равных условиях, столб воздуха, давящий на ртуть, тем ниже будет столб ртути в барометрической трубке. Стало быть, если мы поднимемся на высокую гору, барометр должен опуститься, так как мы стали ближе прежнего к крайним слоям атмосферы и находящийся над нами столб воздуха уменьшился.
Паскалю тотчас же пришла мысль проверить это положение опытом, и он вспомнил о находящейся подле Клермона горе Пюи-де-Дом. 15 ноября 1647 года Паскаль сообщил проект этих опытов мужу своей старшей сестры, Перье, бывшему в то время в Мулене. По различным обстоятельствам Перье смог произвести эти опыты лишь 19 сентября 1648 года и выполнил поручение Паскаля с возможною тщательностью. Явления, предсказанные Паскалем, оправдались на опыте с буквальной точностью.
По мере подъема на Пюи-де-Дом ртуть понижалась в трубке – и так значительно, что разница на вершине горы и у ее подошвы составила более трех дюймов. Эти наблюдения были проверены на обратном пути. Изучая подробные численные данные, присланные ему Перье, Паскаль заметил, что разница в двадцать саженей при подъеме на гору соответствует разнице в две линии на столбе ртути. Эти цифры показали Паскалю, что опыт может быть повторен в городе, и, находясь тогда в Париже, Паскаль тотчас произвел его на башне св. Иакова, а затем в одном частном доме, имевшем десять саженей высоты. Везде получались результаты, совершенно согласные с числами Перье. Эти опыты окончательно убедили Паскаля в том, что явление подъема жидкостей в насосах и трубках обусловлено весом воздуха. Оставалось объяснить способ передачи давления воздуха. Паскаль, знавший об опытах Архимеда над жидкостями, напал на простую, но гениальную мысль сравнить давление воздуха с давлением, существующим внутри жидкостей. Архимед доказал, что всякое твердое тело, частью или целиком погруженное в жидкость, теряет в своем весе и что эта потеря как раз равна весу вытесненной телом жидкости. Голландский ученый Стевин пошел еще дальше и сказал, что давление жидкости на дно сосуда зависит лишь от высоты жидкости, то есть от высоты ее уровня над дном сосуда, и не зависит нисколько от формы сосуда. Наконец Паскаль не только подтвердил вполне истину, высказанную Стевином, но и показал, что давление жидкости распространяется во все стороны равномерно и что из этого свойства жидкостей вытекают почти все остальные их механические свойства; затем Паскаль показал, что и давление воздуха по способу своего распространения совершенно подобно давлению воды.
Паскаль собирался написать обширный трактат о равновесии жидкостей, но успел составить лишь краткое исследование, да и оно было напечатано только после его смерти.
В научных работах Паскаля есть огромные достоинства, выгодно отличающие его сочинения от трудов большинства его современников. Изложение Паскаля отличается необыкновенною ясностью и общедоступностью. Его трактат о равновесии жидкостей может быть прочитан людьми, знающими лишь арифметику. Вот как, например, поясняет Паскаль теорию гидравлического пресса. Предположим, что у нас есть сосуд, закрытый со всех сторон, исключая два отверстия, из которых одно в сто раз больше другого. Если мы приладим к каждому отверстию по поршню так, чтобы эти поршни входили плотно, то один человек, движущий маленький поршень, если сосуд наполнен водою, уравновесит силу ста человек, движущих большой поршень; если же к последнему приставить только девяносто девять человек, то один человек, налегающий на малый поршень, справится со всеми девяноста девятью. Из этого видно, говорит Паскаль, что сосуд, наполненный· водою или иной жидкостью, представляет новый род машины, могущей умножить силу во столько раз, во сколько нам угодно: стоит только уменьшать размеры одного отверстия и расширять другое, прилаживая в то же время соответственные поршни.
Паскаль поясняет, что эта новая машина, подобно машинам, составленным из твердых тел, не создает силы из ничего. Выигрыш силы здесь, как и всюду, достигается лишь за счет потери в скорости. Так, например, очевидно, по словам Паскаля, что человек, движущий маленький поршень, должен опустить его на один дюйм для того, чтобы большой поршень прошел лишь сотую часть дюйма. В этом легко убедиться, сравнивая количество воды, вытесненное малым поршнем, с объемом, который оставляет за собою во время движения большой поршень. Вода почти несжимаема, а потому как раз тот объем воды, который вытеснен малым поршнем, должен поместиться в пространстве, только что оставленном большим поршнем. Чтобы оба эти объема были равны между собой, необходимо продвинуть в сто раз меньший в разрезе поршень на расстояние в сто раз большее.
Паскаль целым рядом примеров поясняет свой главнейший принцип, состоящий в том, что давление жидкостей равномерно распространяется во все стороны, и доказывает, что этим свойством обусловливается множество других и объясняется много кажущихся парадоксов. В тех случаях, когда твердые или полужидкие тела оказывают равномерное давление, получаются совершенно аналогичные последствия. Когда, например, идет речь о том, почему человек или животное, погруженные в воду, почти не замечают ее давления, Паскаль поясняет это следующим сравнением. “Положите червяка в тесто и сожмите это тесто руками; вы не будете в состоянии раздавить червяка, как бы вы сильно ни сжимали. Это потому, что червяк заключен в тесто, окружающее его со всех сторон совершенно равномерно, и давление распространяется на поверхность его тела равномерно, а потому каждая частица поверхности его тела испытывает сравнительно ничтожное давление. Совершенно то же происходит с телом животного, погруженного в воду. Пусть более не утверждают, что давление воды не ощущается потому, что вода будто бы не давит на самое себя. Она оказывает давление одинаково во все стороны. Настоящая причина, почему животное, погруженное в воду, не может быть раздавлено весом находящейся над ним жидкости, состоит вовсе не в том, что это давление будто бы зависит от ничтожного веса, а в том, что животное окружено со всех сторон жидкостью, распределяющей давление по всему телу. Вообразим себе, что весь столб жидкости, находящийся над животным, внезапно отвердел, например, замерз, но что при этом остался только ничтожный слой жидкости, отделяющий животное от твердой массы. При таких условиях животное по-прежнему не будет испытывать давления, потому что давление твердой массы, сообщаемое ему при посредстве слоя воды, по-прежнему распределится равномерно”.
Совершенно подобным образом объясняет Паскаль явления, зависящие от давления воздуха. В трактате “О весе воздуха” Паскаль уже прямо и решительно выступает против учения о боязни пустоты и говорит, что все явления, приписываемые этой боязни, зависят от веса воздуха и равномерного распределения давления. На каждом шагу Паскаль проводит параллель между давлением воздушной массы и давлением жидкостей; так, например, говоря о том, как трудно разделить две сложенные вместе полированные пластинки, он объясняет это явление давлением воздуха на внешние поверхности пластинок и замечает: “совершенно подобное явление можно воспроизвести при погружении сложенных между собой пластинок в воду”. Явления в насосе Паскаль сопоставляет с различием уровней двух неодинаково плотных жидкостей в сообщающихся сосудах.
По тем открытиям, которые были сделаны Паскалем относительно равновесия жидкостей и газов, следовало ожидать, что из него выйдет один из крупнейших экспериментаторов всех времен. Но еще до производства знаменитых опытов на горе Пюи-де-Дом в жизни Паскаля произошло событие, оказавшее весьма неблагоприятное влияние на его умственную деятельность.