Самый точный прогноз

Фактически, мы живем на дне огромного океана, заполненного воздухом. И любые его колебания может с точностью ощутить только барометр - специальный прибор, придуманный еще в XVII столетии...

К счастью, наше тело устроено так, что мелкие колебания воздуха оно не ощущает - за долгую человеческую историю организмы людей приспособились к колоссальному давлению воздушных масс. Единственное «возмущение» этого воздушного океана, которое мы можем почувствовать, - это ветер. Однако стоит нам забраться на высокую гору или взлететь на самолете, как сразу закладывает уши. Это происходит из-за изменения количества воздушной массы, которая оказывает на нас давление. Но при этом барометр придумали не страдающие «метеочувствительностью» люди - появился он как побочный продукт споров физиков XVII столетия.

Барометр (от древнегреческих слов «барос» - «тяжесть», «метрео» - «измерять») - это прибор для измерения атмосферного давления, который начиная с XIX века находился чуть ли не в каждом доме, а сейчас находится на всех метеостанциях. Прототипы барометра были изобретены во время жарких споров о существовании вакуума. Эти дебаты между учеными длились со времен Аристотеля, и барометр, который был прибором, подтверждающим его наличие, практически изменил мир физики. Только потом оказалось, что уровень жидкости в этом приборе показывает силу давления окружающей атмосферы.

Изначально ученых интересовал вопрос существования вакуума - ключевого элемента барометра. Аристотель сказал: «Природа не терпит пустоты», тем самым утверждая, что вакуума в природе не существует, так как материя, находящаяся вокруг него, всегда будет заполнять пресловутый вакуум. Спустя более тысячи лет изобретатели смогли оспорить это заявление. Точнее, им пришлось его оспорить! В начале XVII века итальянские шахтеры обнаружили, что вода, которую выкачивали из шахты насосом, не поднималась на высоту более чем 10,3 метра. Владелец шахт написал самому передовому итальянцу тех лет - Галилео Галилею. Ученый очень заинтересовался этим фактом и вместе со своими учениками приступил к исследованию феномена.

Галилей предположил, что вода поднималась вверх из-за того, что при выкачивании воздуха оставалась пустота, которую вода стремилась заполнить. Правда, сила «заполнения» была ограничена, и как раз на высоте в 10,3 метра силы вакуума уже переставали действовать. Эти предположения натолкнули Галилея и его учеников на мысль об исследовании вакуума. Но сам Галилей полагал, что вакуум не существует, потому и передал это дело своим ученикам. Один из них, Гаспаро Берти, провел опыт со стеклянной трубкой и емкостью: длинную трубку он наполнил водой и запечатал с обоих концов. Затем исследователь установил трубку одним концом в емкость с водой, после чего вскрыл данный конец. Вода начала выливаться в резервуар - а уровень в трубке остановился на отметке 10,3 метра. Берти, поразмыслив, пришел к выводу, что в пустующей части трубки находится не что иное, как вакуум - ведь воздух не мог просочиться через стекло и через воду. Так Гаспаро Берти, сам того не зная, создал первый прототип барометра.

Тем не менее научный мир не был убежден плодами работы ученика Галилея - более того, сам учитель считал, что Берти допустил ошибку. Тогда еще один подмастерье Галилея - Эванджелиста Торричелли - решил взглянуть на проблему с другой стороны. Он сфокусировал свое внимание не на вакууме внутри трубки и не на жидкости, а на «окружающем мире». Он задался вопросом, что же еще может влиять на жидкость в трубке, и пришел к выводу, что давление оказывает воздух: если бы воздух давил с меньшей силой, тогда уровень воды в трубке упал бы еще ниже, - и наоборот. Торричелли осознал, что изобретение его коллеги - не только способ доказать существование вакуума, но и возможность определить силу давления воздуха.

Эта идея не встретила одобрения ни у Галилея, ни у других ученых. В середине XVII века считалось, что окружающий нас воздух не обладает весом и не оказывает никакого давления. Торричелли решил повторить эксперимент Гаспаро Берти, но со ртутью вместо воды - так как ртуть намного плотнее, это позволило бы сконструировать трубку всего лишь полутораметровой высоты. В результате этого опыта ртуть остановилась на уровне 76 сантиметров (или 760 миллиметров, что ныне считается «нормальным» давлением). Помог Торричелли доказать его теорию не кто иной, как Блез Паскаль. Он попросил своего сводного брата взять опытный образец с собой в горы. Родственник Паскаля добрался до высоты 1800 метров и увидел, что уровень ртути в трубке упал более чем на 10 сантиметров. Так Блез Паскаль доказал и свою теорию об уменьшении давления с повышением высоты, и теорию коллеги о существовании давления воздуха. Кстати, в честь Паскаля и названа общепринятая единица измерения давления.

Однако и изобретение, и опыты оставались в секрете - во многом из-за того, что католическая церковь тех лет не признавала наличия вакуума. В итоге, Торричелли был похоронен без почестей в безымянной могиле. Только спустя несколько десятков лет его изобретение начало постепенно входить в обиход. Само название «барометр» было предложено в 1660-м другим известным физиком - Робертом Бойлем. Прибор был разрекламирован как «домашний предсказатель погоды» и стал предметом интерьера в домах аристократов. Также барометр использовали и ученые - с его помощью измеряли высоту гор и глубину шахт. Ртутный барометр Торричелли оставался самым популярным в мире вплоть до запрета на использование ртути (так как пары этого металла необычайно токсичны), а произошло это всего пару лет назад.

В начале XVIII века Готфрид Лейбниц предложил проект безжидкостного барометра, но тогдашний уровень развития науки не позволил таковой создать. Только в 1844 году французский ученый Люсьен Видье изобрел использующийся до сих пор анероидный (то есть безжидкостный) барометр. Вместо жидкости в нем использовалась металлическая капсула из сплава бериллия и меди, которая находилась в вакуумной камере. Любое изменение давления воздуха снаружи этой камеры незримо расширяло и сжимало этот сплав - и система рычагов и шестеренок выводила эти изменения на шкалу. Благодаря отсутствию ртути и вообще более крепкому механизму анероидные барометры начали вытеснять своих жидкостных собратьев.

В России барометры, как и метеорология в целом, появились с подачи царя Алексея Михайловича. Изобретение Торричелли привезли из Италии, а придворного служащего поставили за ним следить. Однако тот ограничился лишь записками о погоде, не обращая внимания на заморский инструмент. Только при Петре I начались регулярные наблюдения за погодой, и уже в 1725 году на постоянной основе стали использовать барометры и термометры.

Сейчас ртутные и анероидные барометры представляют собой больше антикварный и интерьерный интерес - в современной науке они практически не используются. Их заменили цифровые барометры, которые используют микрочипы и процессоры для вычисления атмосферного давления. Такие барометры используются даже в современных телефонах, настолько они малы - они помогают некоторым смартфонам идеально точно определять погоду и высоту.

Тем не менее изобретение Торричелли, доведенное до идеала другими великими физиками, используется и по сей день. А появилось оно из-за желания Эванджелисты выйти за пределы старых догм и идей своего учителя Галилео Галилея. Так что, барометр - не только гениальное изобретение, использующееся во всем мире, но и яркий пример того, что человеческая мысль не должна находиться внутри рамок (или стеклянных трубок, если хотите).

Егор КИРИЛЛОВ