Эванджелиста Торричелли: Океан воздуха

В 1643 году тосканский математик залил ртуть в метровую стеклянную трубку, перевернул её в чашу и наблюдал, как столбик опускается, пока не остановился на отметке около семидесяти шести сантиметров. Пустое пространство над ним, согласно всем авторитетам со времен Аристотеля, не могло существовать. Торричелли создал первый зафиксированный устойчивый вакуум и, сам того не желая, построил инструмент, который позволил человечеству взвесить собственную атмосферу. «Мы живем, погруженные на дно океана воздуха», — писал он.

Ранние годы

Он родился в Риме 15 октября 1608 года в бедной семье из Фаэнцы: его отец, Гаспаре Руберти, был текстильщиком; мать — Джакома Торричелли. Талант мальчика превосходил возможности семьи, и его образование устроил дядя Джакомо, монах-камальдул. С 1624 по 1626 год Торричелли изучал математику и философию в иезуитском колледже — обучение, которое дало ему классический аппарат, который он всю карьеру будет демонтировать.

Круг Галилея

В 1626 году он переехал в Рим, чтобы работать под началом Бенедетто Кастелли, математика-бенедиктинца и бывшего ученика Галилея, первоначально в качестве секретаря. Он оставался там до 1632 года и изучал математику вместе с Бонавентурой Кавальери, который стал близким другом и чей метод неделимых Торричелли расширил. Галилей ласково называл Торричелли, Раффаэлло Маджотти и Антонио Нарди своим «триумвиратом» в Риме.

Прочитав в 1632 году «Диалог о двух главнейших системах мира» Галилея, Торричелли написал письмо, в котором объявил себя коперниканцем — это было единственное подобное публичное заявление, сделанное им, и оно опередило осуждение Галилея Ватиканом на год. В 1641 году Кастелли передал рукопись Торричелли о движении снарядов старику в Арчетри. Торричелли провел последние три месяца жизни Галилея рядом с ним, работая секретарем и завершая пятый диалог, который Винченцо Вивиани опубликовал в 1674 году.

Математик великого герцога

Галилей умер 8 января 1642 года. Позже в том же году Торричелли был назначен математиком великого герцога и получил кафедру математики в Пизанском университете, фактически заняв самую заметную научную должность в Италии. В 1644 году он опубликовал «Opera Geometrica», чьи решения задач о циклоиде укрепили его репутацию среди европейских математиков.

Барометр

Эксперимент 1643 года вырос из практической задачи: всасывающие насосы не могли поднять воду выше определенной высоты. Торричелли рассудил, что если воздух имеет вес, то атмосфера, давящая на открытый резервуар, будет поддерживать столб жидкости только до определенной высоты. Ртуть, примерно в тринадцать раз плотнее воды, позволила ему проверить эту идею на столе, а не в шахте. Столб остановился на отметке около семидесяти шести сантиметров, а пространство над ним — торричеллиева пустота — было пустым.

Из одной стеклянной трубки последовали две революции. Вакуум, который схоластическая физика объявила невозможным, теперь находился на столе во Флоренции. А высота столба менялась в зависимости от условий, что означало, что атмосферное давление можно измерить. Барометрия, альтиметрия и научное прогнозирование погоды — все это берет начало с того дня. Торричелли пошел еще дальше, дав первое научное объяснение причин ветра: разница температур и плотности воздуха между регионами.

Математика бесконечного

Его математика была столь же смелой. Он развил метод неделимых Кавальери, прямой предок интегрального исчисления. Он вычислил огибающую семейства траекторий снарядов — «параболу безопасности», за пределы которой не может попасть ни один выстрел. Он доказал формулы сходимости для геометрических рядов. И он создал объект, который в равной степени восхищал и тревожил его современников: трубу Торричелли, позже названную «Рог Гавриила», фигуру с бесконечной площадью поверхности, но конечным объемом. Это было доказательство того, что бесконечность ведет себя не так, как настаивает интуиция, и это напрямую подпитывало аргументы, из которых возникло исчисление.

Закон Торричелли и мастерская

Он также установил соотношение, ныне называемое законом Торричелли: жидкость, вытекающая из отверстия в сосуде, движется со скоростью, пропорциональной квадратному корню из глубины жидкости над ним — позже это было признано частным случаем принципа Бернулли и основой практической гидравлики. Помимо теории, он был выдающимся мастером, разрабатывавшим методы шлифовки небольших стеклянных линз и создававшим телескопы и микроскопы исключительного качества. Его формулировка принципа, управляющего центром тяжести в равновесии, дополняет образ необычайно разностороннего физика.

Смерть в тридцать девять лет

Торричелли умер во Флоренции 25 октября 1647 года, через десять дней после своего тридцать девятого дня рождения, вероятно, от брюшного тифа. Когда его лекции были опубликованы в 1715 году, они содержали надпись, точно измеряющую потерю: «Здесь расцветает второй Галилей».

Почему Торричелли важен

Всего за пять продуктивных лет он дал физике инструмент, вакуум, закон жидкостей и горсть результатов на границе бесконечного. Один только барометр обеспечил бы ему славу: он сделал атмосферу измеряемым объектом, а не философской категорией, и открыл направление исследований, которое Паскаль, Бойль и фон Герике продолжат в физике газов. Торр, лунный кратер, астероид и подводные лодки итальянского флота, носящие его имя, — все это отсылает к бедному мальчику из Фаэнцы, который заметил, что воздух тяжелый.