65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников

стар и не хотел с этим возиться, поэтому (как это обычно принято у физиков) поручил разобраться с этой задачей своим ученикам – Эванджелиста Торричелли (1608–1647) и Винченцо Вивиани (1622–1703). Они предположили, что высота, на которую можно поднять жидкость, зависит от ее плотности: чем больше плотность жидкости, тем более она тяжелая, тем меньше будет высота подъема. Поэтому для своих экспериментов они выбрали не воду, плотность которой 1 г/см3, а ртуть с плотностью 13,6 г/см3. Этот опыт теперь называют опытом Торричелли.

Суть опыта в следующем. Берется стеклянная трубка длиной 1 метр, запаянная с одной стороны, чтобы получилась такая длинная пробирка. Эту пробирку до краев заполняют ртутью[36], закрывают верхний конец, переворачивают и опускают в другую емкость с ртутью. После чего пробирку открывают, чтобы ртуть из нее могла вытекать в эту емкость. Как вы думаете, что будет происходить с ртутью из пробирки? Наверное, она вытечет в емкость. Да, но не вся! В пробирке останется столб ртути (тот самый ртутный столб) высотой примерно 760 мм.

Но почему ртуть вытекает не вся? Что удерживает ее внутри пробирки? Античные ученые вслед за Аристотелем сказали бы: потому что природа не терпит пустоты – ведь когда ртуть вытекает из трубки, то на верхнем ее конце образуется пустое пространство, не заполненное ничем. Но почему же тогда природа соглашается терпеть 240 мм этой пустоты? Более того, если мы возьмем изначально трубку длиной не 1 метр, а 2 метра, и проделаем всё то же самое с ней, то в этой более длинной трубке ртути останется все равно столько же – 760 мм. То есть природа будет согласна потерпеть уже 1240 мм пустоты.

А если взять эту трубку с собой в горы и там повторить эксперимент (как это делал Торричелли), то столбик ртути будет уже чуть меньше: 740 мм, или 720 мм, или еще ниже. А пустоты, соответственно, в трубке будет уже больше, в зависимости от того, насколько высоко мы поднимемся. Выходит, что с увеличением высоты природа становится более толерантна к пустоте?

На самом деле для объяснения этого явления не нужно прибегать к таким абстрактным идеям, как терпимость природы к пустоте. Все гораздо проще. Нужно всего лишь добавить в игру атмосферное давление (давление окружающего нас воздуха), что и сделал Торричелли. Поскольку в верхней части пробирки ничего нет, то изнутри пробирки на ртуть ничего не давит, остается только ее собственный вес. А вот снаружи на поверхность ртути давит атмосфера, пытаясь «вдавить» ее обратно в трубку. Так что ртуть будет вытекать из пробирки до тех пор, пока сила давления атмосферы не сравняется с силой тяжести, действующей на ртутный столб. Поэтому атмосферное давление будет равно давлению столба ртути в пробирке: чем больше будет атмосферное давление, тем более высокий столб ртути оно сможет удержать; а при понижении давления (например, при подъеме в горы) ртутный столб тоже будет падать. Таким образом, мы можем измерять атмосферное давление простой линейкой, в миллиметрах ртутного столба.

Каково же значение этого давления? 1 мм рт. ст. примерно равен 133 Паскаля[37], т. е. нормальное атмосферное давление 760 мм рт. ст. равно 100 000 Па[38]. Это огромная величина, равная давлению, которое оказывает груз массой 1 килограмм на 1 квадратный сантиметр поверхности. Если ее помножить на площадь поверхности тела человека (примерно 2 м2), мы получим силу давления порядка 20 тонн! Но почему мы этого не ощущаем, почему нас это огромное давление не расплющивает? Да потому что человеческое тело в основном состоит из воды, которая является несжимаемой жидкостью, – именно она и не дает атмосферному давлению нас раздавить.

Практически одновременно с Торричелли атмосферное давление начал изучать немецкий физик и по совместительству бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (1602–1686). Чтобы продемонстрировать огромную силу атмосферного давления, он провел так называемый Магдебургский эксперимент. Фон Герике взял две полые металлические полусферы диаметром 35 см. Если их соединить друг с другом, то без специального клея они не будут держаться вместе. Но фон Герике придумал, как все-таки их удержать. Он выкачал при помощи насоса из получившегося «мячика» весь воздух. И полусферы просто «слиплись»! За счет чего же они держались?

А дело в том, что после того, как из шара выкачали воздух, давление внутри него стало практически равным нулю. При этом снаружи на его стенки продолжала давить атмосфера, прижимая их друг к другу. Причем это давление настолько велико, что разъединить полусферы было практически невозможно.

Для усиления демонстрационного эффекта фон Герике привязал по восемь запряженных лошадей к каждому из полушарий, чтобы они попытались оторвать полушария друг от друга. В этой неравной борьбе атмосферы и 16 лошадей победила, конечно же, атмосфера. Лошади не смогли разъединить полушария, как бы сильно ни тянули.

Но стоило только открыть клапан и запустить между полушариями воздух, как они распались сами собой. Ведь теперь давление изнутри и снаружи сравнялось, и ничто больше не прижимало их друг к другу.

Вопрос 25. Почему вакуум засасывает?

Для начала давайте договоримся, что вакуумом мы будем называть пространство, в котором либо вообще нет молекул, либо их очень-очень мало[39]. Это важное замечание, поскольку в квантовой теории поля вакуумом называют совсем другое (см. главу «Что такое квантовые поля?», стр. 302). Получают вакуум обычно в прочных сосудах, из которых выкачивают весь воздух при помощи мощных насосов. Однако и в обычной жизни мы тоже часто имеем дело с вакуумом, хотя и не с таким глубоким, как в космосе. Например, когда вы пьете напиток через трубочку или когда пользуетесь пылесосом (на английском пылесос – vacuum cleaner, дословно – вакуумный чистильщик). Принцип действия в обоих случаях одинаковый: на одном конце трубки создается вакуум, и этот вакуум засасывает всё, что находится на противоположном конце. Но почему вакуум засасывает? Ведь в пустом пространстве ничего нет, как это ничто может что-то в себя втягивать? Объяснение античных ученых в стиле «природа не терпит пустоты» нас, конечно же, не устроит. Ведь мы теперь знаем о существовании атмосферного давления. Так вот, на самом деле это не пустое пространство что-то в себя «засасывает», а атмосферное давление «заталкивает» всё это в пустое пространство. Поэтому если вдруг где-то образовалась пустота, то атмосфера сразу же «вдавит» туда воздух или другое близлежащее вещество. Именно так природа борется с пустотой.

Поэтому если вы включите тот же самый пылесос в открытом