에반젤리스타 토리첼리: 공기의 바다

1643년, 한 토스카나 수학자가 1미터 길이의 유리관에 수은을 채워 대야에 거꾸로 세우자 수은 기둥이 약 76센티미터 높이에서 멈추는 것을 관찰했다. 아리스토텔레스 이후의 모든 권위에 따르면 그 위의 빈 공간은 존재할 수 없어야 했다. 토리첼리는 기록상 최초의 지속적인 진공을 만들어냈고, 의도치 않게 인류가 대기의 무게를 잴 수 있게 하는 도구를 발명했다. 그는 "우리는 공기의 바다 밑바닥에 잠겨 살고 있다"고 적었다.

초기 생애

1608년 10월 15일 로마에서 파엔차 출신의 가난한 가정에서 태어났다. 아버지 가스파레 루베르티는 직물 노동자였고, 어머니는 자코마 토리첼리였다. 소년의 재능은 가정 형편을 뛰어넘었고, 카말돌리회 수도사였던 삼촌 자코모가 그의 교육을 주선했다. 1624년부터 1626년까지 토리첼리는 예수회 대학에서 수학과 철학을 공부했는데, 이 훈련은 그가 경력 내내 해체하게 될 고전적 장치를 그에게 제공했다.

갈릴레오 서클

1626년 그는 로마로 이주하여 갈릴레오의 제자인 베네딕토회 수학자 베네데토 카스텔리 밑에서 일하며 초기에는 비서로 근무했다. 1632년까지 머물며 보나벤투라 카발리에리와 함께 수학을 공부했는데, 카발리에리는 그의 절친한 친구가 되었고 토리첼리는 그의 불가분량법을 확장하게 된다. 갈릴레오는 토리첼리, 라파엘로 마조티, 안토니오 나르디를 로마의 "삼두정치"라고 부르며 아꼈다.

1632년 갈릴레오의 두 우주 체계에 관한 대화를 읽은 후, 토리첼리는 자신이 코페르니쿠스주의자임을 선언하는 편지를 썼다. 이는 그가 행한 유일한 공개 선언이었으며, 바티칸이 갈릴레오를 단죄하기 1년 전의 일이었다. 1641년 카스텔리는 토리첼리의 투사체 운동에 관한 원고를 아르체트리에 있는 노학자에게 전달했다. 토리첼리는 갈릴레오 생애 마지막 3개월을 곁에서 보내며 대필자 역할을 했고, 빈첸초 비비아니가 1674년에 출판한 다섯 번째 대화를 완성했다.

대공의 수학자

갈릴레오는 1642년 1월 8일에 사망했다. 그해 말 토리첼리는 대공의 수학자로 임명되어 피사 대학의 수학 교수직을 맡았는데, 이는 사실상 이탈리아에서 가장 주목받는 과학적 지위를 계승한 것이었다. 1644년 그는 Opera Geometrica를 출판했으며, 사이클로이드 문제에 대한 해법으로 유럽 수학자들 사이에서 명성을 확립했다.

기압계

1643년의 실험은 실용적인 난제에서 비롯되었다. 흡입 펌프는 일정 높이 이상으로 물을 끌어올릴 수 없었다. 토리첼리는 공기에 무게가 있다면, 열린 용기를 누르는 대기는 일정 높이까지만 액체 기둥을 지탱할 수 있을 것이라고 추론했다. 물보다 약 13배 밀도가 높은 수은을 사용함으로써 그는 광산 갱도가 아닌 작업대 위에서 이 아이디어를 시험할 수 있었다. 수은 기둥은 약 76센티미터에서 안정되었고, 그 위의 공간인 '토리첼리의 진공'은 비어 있었다.

유리관 하나에서 두 가지 혁명이 일어났다. 스콜라 철학이 불가능하다고 선언했던 진공이 이제 피렌체의 탁자 위에 존재하게 되었다. 그리고 기둥의 높이가 조건에 따라 변한다는 것은 대기압을 측정할 수 있음을 의미했다. 기압 측정, 고도 측정, 과학적 일기 예보는 모두 그날 오후에서 시작되었다. 토리첼리는 더 나아가 바람의 원인(지역 간 공기의 온도와 밀도 차이)에 대한 최초의 과학적 설명을 제시했다.

무한의 수학

그의 수학도 그만큼 대담했다. 그는 적분학의 직접적인 조상인 카발리에리의 불가분량법을 발전시켰다. 그는 투사체 궤적의 포락선, 즉 "안전 포물선(그 너머로는 탄환이 도달할 수 없는 경계)"을 계산했다. 기하급수의 수렴 공식을 증명했다. 그리고 동시대 사람들을 기쁘게 하는 동시에 불안하게 만든 물체를 만들어냈다. 토리첼리의 트럼펫(나중에 가브리엘의 나팔이라 불림)은 무한한 표면적을 가지면서 유한한 부피를 가진 도형이다. 이는 무한이 직관에 반하는 방식으로 행동한다는 증명이었으며, 미적분학이 탄생하는 논의에 직접적인 동력을 제공했다.

토리첼리의 법칙과 공방

그는 또한 현재 토리첼리의 법칙이라 불리는 관계를 확립했다. 용기의 구멍에서 흘러나오는 유체는 그 위의 액체 깊이의 제곱근에 비례하는 속도로 흐른다는 것으로, 나중에 베르누이 원리의 특수한 경우로 인식되었으며 실용 수리학의 기초가 되었다. 이론과 더불어 그는 뛰어난 장인이기도 하여, 작은 유리 렌즈를 연마하는 기술을 개발하고 뛰어난 품질의 망원경과 현미경을 제작했다. 평형 상태에서의 무게중심을 지배하는 원리에 대한 그의 정식화는 그를 매우 완성도 높은 물리학자로 만들어준다.

39세의 죽음

토리첼리는 1647년 10월 25일 피렌체에서 39세 생일 10일 후 사망했는데, 아마도 장티푸스 때문이었을 것이다. 1715년 그의 강의록이 출판되었을 때, 그 손실을 정확히 측정하는 비문이 새겨졌다. "여기 제2의 갈릴레오가 꽃피다."

토리첼리가 중요한 이유

불과 5년의 생산적인 기간 동안 그는 물리학에 하나의 도구, 진공, 유체의 법칙, 그리고 무한의 경계에 있는 일련의 성과를 안겨주었다. 기압계 하나만으로도 그는 불멸의 존재가 되었다. 그것은 대기를 철학적 범주가 아닌 측정 가능한 대상으로 바꾸어 놓았고, 파스칼, 보일, 폰 게리케가 기체 물리학으로 추구하게 될 연구의 길을 열었다. 토르(torr), 달의 크레이터, 소행성, 그리고 그의 이름을 딴 이탈리아 해군 잠수함들은 모두 공기가 무겁다는 것을 알아차린 파엔차의 가난한 소년을 가리키고 있다.