Итак, Жильберта отказалась от роскоши, Жаклин – от семейной жизни… А вот Блез, как оказалось, еще не было готов окончательно расстаться со своей страстью к науке.

За несколько лет до этого мастера, сооружавшие фонтаны в Италии, столкнулись со странной трудностью: никаким поршнем нельзя было поднять воду в трубе выше 10 метров 30 сантиметров. А дальше, как ни тянули вверх поршень, вода за ним не следовала.

Сначала решили, что виноваты рабочие – не умеют обращаться с инструментами. Потом стали ругать мастеров – взялись за дело, с которым не могут справиться. На место этих мастеров взяли других, которые хвастали, что поднимут воду хоть на 30 метров. Но очень скоро хвастуны замолкали и начинали чесать в затылке: непослушная вода останавливалась на 10 метрах, хоть плачь.

О неудачливых строителях фонтанов стали судачить по всей Европе. Проблемой заинтересовались ученые.

В их экспериментах выяснилась и другая интересная вещь. Из закрытой сверху трубы, нижняя часть которой погружена в воду, вода не вытекала полностью, а останавливалась на тех же 10 м 30 см!

Один итальянец, не веря рассказам, поставил опыт прямо у себя во дворе. К стене своего дома он вертикально приделал свинцовую трубу длиной в 11 м. Нижний ее конец, на котором был кран, опустили в бочку, до половины заполненную водой, и стали заливать воду в трубу.

Когда вся 11-метровая труба заполнилась, верхнее отверстие плотно закрыли, а в нижней части, погруженной в бочку, открыли кран. Как и положено, жидкость потекла из трубы в бочку… и вдруг остановилась! Когда кран закрыли и забросили сверху веревку с отметками, уровень воды, как и ожидали, составил 10 м 30 см. Эксперимент повторили, но на этот раз оставили кран открытым до следующего дня. Назавтра оказалось, что вода и за сутки не вытекает из закрытой сверху трубы, оставаясь на том же уровне.

Ученые стали задавать себе сразу несколько вопросов. Почему вода останавливается именно на этой высоте? Зависит ли эта высота от ширины трубы или от типа жидкости? И что же находится в верхней части закрытой трубы, когда оттуда уходит вода?

Ученик Галилео Галилея, Эванжелиста Торричелли, в своем эксперименте решил использовать ртуть. Ее можно налить в стеклянную трубку, как и воду. Но при этом капелька ртути весит в 13,6 раза больше капли воды. Это значит, что если взять одинаковое по весу количество воды и ртути, для последней нужна будет гораздо меньшая емкость. Скажем, в обычном стакане поместится 200 граммов воды или почти 3 килограмма ртути.

Торричелли предположил, что и высота, на которой остановится ртуть в трубке, должна быть в 13,6 раз меньше. Это позволило бы обойтись без 10-метровых трубок и проводить эксперименты, не выходя из комнаты.

Он налил ртуть в трубку высотой всего 4 фута (около 120 см). Один конец трубки был запаян, а отверстие на другом конце ученый закрывал пальцем. Держа трубку запаянным концом кверху, другой конец он окунул в стакан, также заполненный ртутью, и убрал палец от отверстия.

Как и вода, ртуть сначала стала вытекать, а потом остановилась. Торричелли измерил высоту ртутного столбика – получилось около 76 см, как он и ожидал!

Итак, гипотеза о том, что более плотная жидкость будет останавливаться на меньшей высоте, подтвердилась. Что же до вопроса, почему она останавливается, то Торричелли высказал мысль, что причина – давление воздуха, который «нажимает» на поверхность ртути в чашке.

Для того времени это была революционная идея.

С древности считалось, что из четырех природных элементов (земля, вода, воздух, огонь) самым тяжелым является земля, легче ее – вода, еще легче – воздух, а самый легкий – огонь. А раз так, рассуждали ученые, земля может давить на воду и воздух, а, скажем, воздух на воду – не может.

Опыты Торричелли вызвали бурное обсуждение ученых. Многие пытались их повторить, но получалось не у всех – тяжелая ртуть разбивала хрупкое стекло.

Рассказы об эксперименте итальянца дошли и до Франции. Конечно, Блез Паскаль не мог ими не заинтересоваться.

Как Паскаль проверял опыты Торричелли

К счастью, в Руане, где их семья прожила столько лет, были отличные мастера-стекольщики. Поэтому Блез смог подойти к экспериментам со всей серьезностью, как он привык с детства.

Сначала он проверил, будет ли зависеть высота водяного столба от формы трубки. Для этого он заказал трубки прямые, извилистые, с баллонами наверху и без них. Во всех вода останавливалась на тех же 10 м 30 см.

Потом Блез решил выяснить, что остается в верхней части трубки, когда из нее уходит вода. Разные ученые выдвигали разные версии: воздух, водяной пар, некая неизвестная «тонкая материя». Голоса, предполагавшие, что там остается пустота, вакуум, звучали несмело: со времен Аристотеля считалось, что природа не терпит пустоты, любое пространство должно быть чем-то заполнено – не водой, так воздухом.

Версия о «тонкой материи» Паскалю нравилась меньше всего: он привык доверять лишь фактам, которые можно проверить. А как можно верить в то, чего никто не видел, не ощущал и не наблюдал в действии? Так что он решил изучить более правдоподобные гипотезы.

Во дворе мастерской специально были установлены высокие корабельные мачты. Посмотреть на возню Паскаля с длиннющими стеклянными трубками, наполненными водой и вином, стекались зеваки со всего Руана. Однажды во дворе, где проводились опыты, собралось полтысячи человек! На их глазах Блез подвешивал трубки прямо и под углом. Под шум толпы наполнял их и открывал краны. Сотни руанцев становились свидетелями научных экспериментов и убеждались в том, во что не верили некоторые ученые мужи: более плотная жидкость опускается ниже менее плотной, прежде чем давление водяного столба станет равным давлению воздуха на поверхность жидкости в бочке.

Но возиться во дворе становилось все труднее – здоровье Блеза ухудшалось, его почти постоянно мучали разные боли. В конце концов они с Жаклин перебрались в Париж, и там сестра преданно ухаживала за братом. Бывали дни, когда Паскаль не мог даже подняться с постели. Когда же силы возвращались, Блез возобновлял свои опыты. Но теперь он проводил их с ртутью, что позволяло работать в лаборатории.

Используя стеклянные трубки самых замысловатых форм, помещая меньшие трубки в большие, он сумел доказать, что пространство, остающееся вверху запаянной трубки, когда оттуда вытечет ртуть, действительно ничем не заполнено. Похоже, что никакая «боязнь пустоты» не свойственна природе, что бы там ни говорили древние!

Дальнейшие эксперименты показали: в вакууме ртуть беспрепятственно вытекает из трубки. А значит, в обычных условиях ее действительно удерживает на высоте в 76 см давление воздуха, как и предполагал Торричелли.

Итак, вслед за учеником Галилея Блез Паскаль убедился, что мы живем «на дне воздушного океана». Над нами – толщи воздуха, которые постоянно, хотя и неощутимо давят на нас и на все, что нас окружает. Значит, делает вывод Паскаль, на большой высоте (например, в горах) давление будет меньше – ведь «столб воздуха» там будет ниже.

Кстати, позже Паскаль подсчитал массу всего воздуха в атмосфере Земли. У него получилось 8,5 триллиона французских фунтов – около 4 миллиардов тонн. Сейчас считается, что масса атмосферы составляет 4,5 квадриллиона тонн, то есть в миллион раз больше. Это число выглядит так: 4 500 000 000 000 000.

Доверять выводам, не опирающимся на практику, Блез не умел: он всегда считал эксперименты «единственной основой физики». Но в Париже нет гор. Да и сил Паскаля явно недостаточно для горных прогулок. К мучительным головным болям и «чрезмерному жару во внутренностях», которые терзают его уже многие годы, добавляется частичный паралич ног. Даже по дому он не может передвигаться без костылей.

К счастью, у него есть родственники, живущие в окружении потухших вулканов! Жильберта и ее семья живут в Оверни, в их родном Клермоне. А ее муж, Флоран Перье, хоть и не ученый, но очень интересуется наукой. Они не раз обсуждали с Блезом нерешенные проблемы физики и математики и лично, и в письмах. Флоран был в курсе опытов Блеза со ртутью.

Сгорая от нетерпения, Блез пишет письмо в Клермон. Он просит Флорана, взяв все необходимое оборудование, подняться на Пюи-де-Дом – гору высотой в полтора километра – и сделать нужные измерения.

Флорану в то время было уже за сорок, но он без колебаний взялся помочь своему родственнику и другу. Более того, к нему присоединились и другие уважаемые горожане: священники, чиновники, юристы. Дождавшись хорошей погоды, 19 сентября 1648 года они, нагруженные стеклянными трубками и колбами с ртутью, пришли к подножию Пюи-де-Дом. Здесь они налили в две трубки по 16 фунтов ртути, сделали первые замеры и разделились: часть осталась наблюдать за первой трубкой, остальные же полезли в гору.

Научная «экспедиция» длилась целый день, но уже совсем скоро Флоран смог отправить Блезу письмо с радостной вестью: его гипотеза подтвердилась! На вершине горы высота ртутного столба была на семь с лишним сантиметров меньше, чем внизу. Более того, добровольные помощники делали еще несколько остановок на разной высоте, и везде их наблюдения подтверждали: чем больше высота, тем меньше давление воздуха. В контрольной же трубке у подножия горы ртуть оставалась на одном и том же уровне.

Вернувшись с гор, клермонцы не поленились влезть еще и на самую высокую башню собора (того самого, где собирались будущие крестоносцы). Так что Блез в Париже получил самую точную и подробную информацию.

А уж работать с точной информацией он любил больше всего на свете! Обдумав данные, Паскаль пришел к нескольким выводам.

Во-первых, он окончательно убедился, что никакой «боязни пустоты», якобы присущей природе, не существует. Глупо ведь предполагать, что эта «боязнь» у подножия горы может быть меньше, чем на вершине!

Во-вторых, он понял, что величина атмосферного давления зависит от высоты над уровнем моря – или, как писал он сам, «расстояния от центра земли». С помощью трубок с ртутью можно узнать, находятся ли две разные точки земного шара на одной высоте.

Со временем Паскаль пришел к выводу, что атмосферное давление меняется также в зависимости от погоды: скажем, перед дождем оно ниже, чем в ясный день. И по сей день давление измеряют при помощи трубок, наполненных ртутью. Этот прибор называется барометром. В прогнозах погоды так и говорят: «Атмосферное давление – 756 миллиметров ртутного столба».

Паскаль всегда подчеркивал, что изначальный эксперимент с ртутью – идея Эванжелисты Торричелли. Он отдавал должное своему предшественнику, как и ученые всего мира: пространство в трубке, оставшееся после опускания ртути, было названо «торричеллиевой пустотой», а миллиметр ртутного столба иначе называют «торром» – тоже в честь итальянца. Однако в принятой сегодня международной системе единица измерения давления названа «паскалем». Один торр примерно равен 133 паскалям.

В-третьих, он догадался, что воздух во многом имеет те же свойства, что и вода: вес, плотность, объем. А значит, закономерности, действующие в жидкостях, применимы и к газам.

Обобщив все наблюдения, за несколько следующих лет Паскаль написал «Трактат о равновесии жидкостей». В нем он понятным языком, доступным обычному человеку, рассказал о том, как жидкость давит на находящиеся в ней предметы – не только сверху, но и сбоку, и даже снизу, причем со всех сторон одинаково. Этот принцип лег в основу новой науки – гидростатики, и был назван «законом Паскаля».

Написал Блез и о том, что давление воды на дно не зависит от количества жидкости или формы сосуда, а только от уровня жидкости. Это значит, что если в два разных сосуда налить воду до одной высоты, то литр воды в широкой посудине будет давить на дно с такой же силой, как 100 граммов, налитых в узкую трубку.

Это привело его к идее гидравлического пресса. Паскаль описал это так: если в сосуде, наполненном водой, сделать два отверстия, одно больше другого в сто раз, и вставить в них поршни, то сила одного человека, давящего на меньший поршень, будет равна силе 100 человек, давящих на больший поршень. Что это значит? Это значит, что если взять большую цистерну и в одной ее стенке сделать маленький лючок, на которой мог бы давить один человек, а с другой – огромный люк, в который может упереться сразу сотня, то один человек удержал бы свой маленький лючок. А вот если бы кто-то из сотни отпустил люк со своей стороны, то 99 не смогли бы справиться с давлением, которое создает один человек с маленьким лючком.

Нужно добавить, что прирожденная потребность Паскаля проверять все самостоятельно все равно дала о себе знать. Хотя он полностью доверял Флорану, но тем не менее сам повторил опыт с трубками, наполненными ртутью. Для этого он влез на 50-метровую башню Сен-Жак в Париже и там собственными глазами убедился, что высота ртутного столба наверху меньше, чем у подножия башни.

Сегодня под колоннадой башни Сен-Жак стоит памятник Блезу Паскалю – человеку, который хотел раскрыть все тайны природы.

Вопросы

Какой странный факт заставил ученых ставить опыты с водой и трубами?

Какую революционную идею высказал Эванжелиста Торричелли, проведя опыт с ртутью?

Что по мнению Паскаля было «единственной основой физики»?

Как Блез решил вопрос с отсутствием гор в Париже? Кто помог ему провести эксперимент? к каким выводам пришел наш герой?