Важный вклад в решение этих вопросов был сделан учеником Галилея Торричелли. Торричелли в качестве экспериментального материала стал использовать не воду, а ртуть, которая, будучи тяжелее воды в 13,6 раза, должна была, по его мысли, подняться на высоту, во столько же раз меньшую. Так оно и случилось.
Знаменитый опыт Торричелли, проведенный им совместно с другим учеником Галилея Вивиани в 1643 году, состоял в следующем: стеклянная трубка длиной четыре фута, один конец которой открыт, а другой герметически закупорен, наполнялась ртутью. Затем отверстие закрывалось пальцем, а трубка опрокидывалась в чашку со ртутью. Когда погруженное в чашку отверстие открывалось, то ртуть в трубке опускалась до определенной высоты (около 76 сантиметров), оставаясь потом на этом уровне. Образовавшееся над ртутью пространство было названо позднее торричеллиевой пустотой. Сама же трубка представляет собой прибор, названный впоследствии Бойлем барометром, так как высота ртутного столба соответствует величине атмосферного давления.
В результате эксперимента Торричелли пришел к выводу, что ртуть в трубке удерживается не «боязнью пустоты», а весом воздуха, давящего на открытую поверхность ртути в чаше. Пространство же, образующееся над ртутью в трубке, есть, по его мнению, пустое пространство. Таким образом, Торричелли связал проблему «пустоты» с весом и давлением воздуха, но однозначного и четко сформулированного доказательства наличия атмосферного давления им не было сделано. Гипотезу о тяжести и давлении воздуха поддерживали в то время уже многие ученые, однако не приводили в защиту своего мнения веских и систематически обоснованных решений. Что же касается пространства в верхней части трубки, то большинство, вопреки Торричелли, было убеждено, что оно заполнено каким-либо (невидимым) веществом. «Волнение, вызванное в ученой среде торричеллиевой трубкой, – пишет Льоцци, – сравнимо лишь с интересом, вызванным галилеевой подзорной трубой. Между перипатетиками, картезианцами и экспериментаторами разгорелась яростная дискуссия».
Вскоре опыт Торричелли стал известен среди всех ученых Франции. Некоторые заинтересовались этим экспериментом и пытались воспроизвести его, но безуспешно: в то время было сложно изготовить прочное экспериментальное оборудование необходимых размеров, и стеклянные трубки часто лопались под тяжестью ртути.
В октябре 1646 года у Этьена Паскаля гостил проездом в Дьепп один из его знакомых, Пьер Пети, интендант фортификаций, увлекавшийся физическими опытами. Вблизи Дьеппа несколько лет назад полусгорел и затонул военный корабль, оттого что один матрос неосторожно закурил возле бочки с порохом. Обломок корабля должен был содержать 40 тысяч экю. Предприимчивый марселец Жан Прадин якобы изобрел и построил подводный аппарат, на котором можно «находиться шесть часов под водой с зажженной свечой», и собирался основательно прочесать подводный мир. Пети сгорал от нетерпения присутствовать на неслыханном зрелище. Он знал об эксперименте Торричелли и сообщил о нем семейству Паскалей. На обратном пути из Дьеппа Пети вновь остановился в Руане и повторил совместно с Блезом этот эксперимент, результаты которого оказались сходными с результатами итальянского опыта. Размышляя по поводу этого опыта, Паскаль отмечал, что он еще более утвердился во мнении, которое всегда разделял, что пустота не является чем-то невозможным и что природа не избегает пустоты с такой боязнью, как многие воображают.
Но мнение мнением, а простого повторения опыта было совсем недостаточно для категорического утверждения вытекавших из него следствий. Да и сам Блез не был окончательно уверен в своих заключениях; к тому же многочисленные противники «пустоты» заявляли, что верх трубки заполнен либо разреженным воздухом, либо испарениями жидкости, либо мировым эфиром, тонкой материей Декарта и т. д. Поэтому необходимы были новые и разнообразные опыты, решающие эксперименты, основывающиеся на твердых аксиомах и систематических доказательствах, а не на интуитивных догадках.
За эти-то опыты и принялся Блез со свойственной ему пылкой последовательностью. Для опровержения наличия в верхней части трубки разреженного воздуха он использует трубки различных форм (прямые, наклонные, оканчивающиеся стеклянным баллоном и т. д.). Если бы там имелся разреженный воздух, то высота ртути в трубке со стеклянным баллоном была бы ниже, чем в прямой трубке, так как в первой должно содержаться больше воздуха, чем во второй. Для опровержения гипотезы с парами жидкости Паскаль заказывает в мастерской, производящей стеклянные изделия, две стеклянные трубки длиной более двенадцати метров. Это было невероятно трудное для того времени дело, требовавшее к тому же больших денежных затрат. Стеклянные мастерские в Руане славились своими добротными изделиями, и трубки в конце концов были изготовлены. Их привязывают к корабельной мачте, находящейся прямо во дворе мастерской, и заполняют одну вином, а другую водой.
Многие любопытствующие жители Руана толпятся вокруг, наблюдая за течением опыта и действиями экспериментаторов (в одном из писем Паскаль замечал, что на подобной демонстрации присутствовало однажды около пятисот человек разных сословий и званий). Каков же должен быть результат, если верна гипотеза с парами ртути? Вино испаряется быстрее воды, и, следовательно, испарения вверху трубки с вином должны занимать большее место, а жидкость соответственно находиться на более низком уровне, чем в трубке с водой. При измерении же уровень жидкости составил 31 фут для воды и 31 фут 8 дюймов для вина. Итак, еще одна гипотеза была опровергнута.
7
Летом 1647 года здоровье Блеза ухудшается, и он вместе с Жаклиной переезжает в Париж. В Париже они усердно посещают проповеди Сенглена, духовного наставника отшельников и монахинь Пор-Рояля. Сенглен не был красноречивым и витиеватым оратором. Его мысли были просты, доходчивы и суровы. Основной их пафос заключался в том, что истинный христианин должен совершенно отказаться от светской жизни, что земные привязанности служат для человека лишь предметом раскаяния. Эти мысли, пишет Жильберта, находили живой отклик в сердцах брата и сестры.
Но не только помыслы о совершенной жизни наполняют в это время ум Паскаля. Он продолжает интенсивно заниматься физическими исследованиями, встречается с учеными Парижа, обсуждает с ними различные научные проблемы. Почти всегда ему приходится для этого превозмогать собственные недуги, все более усиливающиеся головные и желудочные боли. Иногда он даже не может отвечать на письма родных и, извиняясь за молчание, пишет однажды своей старшей сестре, что у него почти нет таких часов, когда здоровье и свободное время совмещаются друг с другом. В таком положении Жаклина оказывается для Блеза незаменимой помощницей. Она по-матерински ласково и заботливо ухаживает за больным братом, готовит для него горячие ванны, делает кровопускания. Восхищенно любящая сестра и терпеливо-нежная сиделка, она является одновременно и секретарем, доверенным лицом Блеза, пытаясь при этом как-то остужать его научный пыл и немного задерживая его беседу с Декартом.
24 сентября происходит вторая и последняя встреча двух ученых. Декарт справляется о здоровье Паскаля, советует ему почаще пить крепкие бульоны и оставаться в постели по утрам до появления усталости от лежания (так делал сам Декарт в течение всей своей жизни: еще в коллегии Ля Флеш ему отменили в виде исключения общий подъем, и в последующие годы он не изменял этой привычке, предаваясь в лежачем положении различным размышлениям; один из биографов Декарта замечает даже, что многими открытиями Декарта в области философии и математики мы обязаны его утренним лежаниям). Затем беседа, длившаяся около трех часов, переходит в русло злободневных научных проблем. (К великому сожалению, более конкретные подробности этой беседы двух великих современников остались неизвестны.)
Вскоре после приезда в Париж Блез узнает через Мерсенна о неприятном для себя факте. Секретарь польской королевы Денуайе сообщил в письме к «главному почтмейстеру» ученой Европы о том, что в Польше нашелся некий капуцин Валериан Магни, который стремится доказать в противоположность Аристотелю наличие пустоты в природе. К письму была приложена отпечатанная брошюра, в которой Магни описывал свой опыт, аналогичный эксперименту Торричелли и Паскаля, претендуя на оригинальность и первенство в этой области исследования.
Приоритет Блеза, как и в случае с арифметической машиной, неожиданно оказался под сомнением, что весьма остро задевает самолюбие молодого ученого. Опять возникает необходимость защиты и доказательства собственной правоты. В сентябре Роберваль написал Денуайе пространное письмо, в котором приводил магистральные опыты Паскаля в Руане, называя капуцина «вором из Польши». Вопрос о зависимости Магни от своих предшественников неясен. Большинство науковедов, занимающихся этим вопросом, склоняется к тому, что он к началу своих экспериментов достаточно хорошо знал об опыте Торричелли и просто повторил его без всяких доказательств, новых исследований и твердых формулировок.
Тем не менее, задетый за живое, Блез вынужден в октябре 1647 года опубликовать небольшой трактат под названием «Новые опыты, касающиеся пустоты», являющийся частью более широкого и полного трактата о пустоте, задуманного Паскалем, но так и не осуществленного. Появившийся трактат посвящается отцу и резюмирует проведенные к этому времени Блезом эксперименты. Вот как он сам объясняет во вступлении вынужденное сокращение своего сочинения: «…Я посчитал необходимым дать заранее сокращенный вариант трактата, ибо сделал большие расходы, отдал много труда и времени на эксперименты и боюсь, как бы другой, не потративший ни того, ни другого, ни третьего, не опередил меня и не представил публике вещей, которых он сам никогда не видел и, следовательно, не может их точно передать и вывести одну из другой в необходимом порядке: нет такого человека, у которого были бы трубки и сифоны такой длины, как у меня, и мало тех, у кого хватило бы терпения заиметь их…». Далее Паскаль открещивается от не принадлежащих ему заслуг, от мнений тех людей, которые пожелали бы приписать ему «итальянский эксперимент», но и не собирается уступать того нового, что изобрел он сам. Защищать и отвоевывать свое ему придется еще не раз…
Во вступлении Блез отмечает также, что очевидность итальянского эксперимента все еще продолжает подвергаться сомнению: сила предубеждения заставляет одних исследователей «заполнять» верх трубки духами ртути, других – маленькими частицами разреженного воздуха, третьих – материей, которая существует лишь в их воображении. Все они, пишет он, стремясь изгнать пустоту, упражняются в тонкости и изворотливости ума, который для разрешения истинных затруднений приводит в качестве доказательств бессодержательные словесные хитросплетения. «Поэтому я решил, – формулирует Блез главную задачу трактата, – провести такие эксперименты, которые могли бы устоять перед любыми возражениями, какие только можно сделать».
Основная часть трактата включала в себя три раздела: в первом разделе описывались проведенные Паскалем существенные эксперименты, во втором – показывались следствия, вытекавшие из них, третий же раздел представлял собой общее заключение. К каким же обобщениям приходит Паскаль, подытоживая свои опыты? В выводах он был весьма и весьма осторожен, точнее, отрицательно-осторожен. К тому времени он еще не стал полным сторонником отсутствия в природе horror vacui, не разделял он и мнения тех, кто утверждал, что природа абсолютно не выносит пустоты. Природа, считает Блез, боится пустоты, но эта «боязнь» ограниченна и имеет пределы. Вывод, как видим, весьма сходен с ответом, данным Галилеем устроителям фонтанов. Рассуждая же о природе пространства в верхней части трубки, он замечает, что кажущееся пустым пространство не заполнено: воздухом, который не проникает извне через поры в стекле трубки; духами жидкости, парами этой жидкости и т. д. Таким образом, пишет Паскаль, кажущееся пустым пространство не заполнено никакими известными в природе веществами, которые могут ощущаться человеком; и можно считать это пространство действительно пустым, до тех пор пока экспериментально не доказано существования там какого-либо вещества.
Несмотря на всю наглядность опытов, Паскаль в своем сочинении не говорит о тяжести воздуха. Весь его интерес сосредоточен на доказательстве возможности пустоты и того, что «боязнь пустоты» в природе имеет предел.
В то время, как Блез погружен в свою физику, Жаклина становится все набожнее и не пропускает ни одной проповеди Сен-глена. Вскоре у нее зарождается мысль стать монашенкой Пор-Рояля. Брат поддерживает намерение сестры и помогает ей через посредство Гийебера, находящегося в эту пору в Париже, завязать отношения с настоятельницей монастыря матерью Анжеликой, с приветливой монахиней Агнессой и с самим Сенгленом, ставшим духовником Жаклины. Жаклина с редким для новичка смирением и послушанием внимает советам и наставлениям своего духовника. Но для того, чтобы принять монашеский постриг, необходимо поговорить с отцом, который находится еще в Руане и должен скоро приехать в Париж. Блез берет эти переговоры на себя, остается только ждать приезда Этьена Паскаля…
Между тем в ноябре 1647 года Паскаль стал рассматривать опыт Торричелли с иной точки зрения. Теперь его интересует не природа пространства над ртутным столбиком, а причина, удерживающая ртутный столбик в равновесии.
Паскаль уже провел предварительные опыты, сформулировал и ввел в свои исследования начала подлинной науки. Теперь можно приступить к решающим экспериментам, которые позволили бы сделать окончательные заключения. Как отмечал Блез в письме к Ле Пайеру, многие ученые-экспериментаторы связывали частичное опускание ртути в трубке Торричелли с давлением внешнего воздуха. Наиболее четко и лапидарно это мнение было высказано в 1644 году самим Торричелли: «До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри верхней части трубки – в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я же утверждаю, что причина лежит вне сосуда: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб… неудивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки (к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания) и поднимается до тех пор, пока не уравновесится внешним воздухом». Но и в такой форме это предположение находило иногда возражения, так как некоторые физики еще считали, в соответствии с мнением Аристотеля, что легкие тела не могут давить на более тяжелые (например, вода на землю, а воздух на воду и т. д.).
Мнение Торричелли – лишь возможное объяснение, которое останется гипотетичным до тех пор, пока опыт не покажет полной невозможности любого другого объяснения. Насущная задача, следовательно, состояла в том, чтобы проделать такой опыт, который показал бы, что тяжесть воздуха – единственная допустимая причина «подвешенности» ртути в трубке.
В конце 1647 года в присутствии своего зятя Флорена Перье Паскаль осуществляет один из решающих экспериментов для доказательства гипотезы давления воздуха. Если эта гипотеза верна, то есть если именно воздух, давящий на поверхность ртути в чашке, удерживает ртуть в трубке в равновесии, а не horror vacui, то при помещении чаши с трубкой в безвоздушном пространстве ртуть в трубке вместо частичного опускания должна полностью вытечь, не находя противодействия извне. Безвоздушное пространство в то время было известно только одно: это верхняя часть самой трубки Торричелли. Поэтому следовало провести очень тонкую и сложную операцию – разместить маленькую трубку с ртутью в «пустоте» большой. С этой целью Паскаль использовал стеклянную трубку длиной три фута, заполненную ртутью и закрытую с двух концов заслонками, которая прикреплялась внутри другой, шестифутовой, трубки. Затем большая трубка заполнялась ртутью, ее отверстие закупоривалось заслонкой, после чего эта трубка переворачивалась и вертикально размещалась в чаше со ртутью. Далее заслонка большой трубки протыкалась: ртуть сразу же опускалась, останавливаясь на обычной высоте и оставляя пустым пространство, в котором находилась маленькая трубка, погруженная своим нижним концом в колонку ртути большой трубки. Когда с помощью длинной изогнутой проволоки протыкалась заслонка внизу маленькой трубки, то вместо частичного опускания ртуть полностью выливалась, так как, оказавшись в безвоздушном пространстве, она не сдавливалась и не уравновешивалась никаким воздухом.