Версия для печати
Вернуться к списку

Наука о пустоте

350 лет назад вышел главный научный труд Отто фон Герике

Книга под названием «Ottonis de Guericke Experimenta Nova (ut vocantur) Magdeburgica de Vacuo Spatio» («Эксперименты Отто фон Герике с новым (как его называют) магдебургским вакуумом»), изданная в 1672 году в типографии голландского города Амстелвин, подводила итог всей научной деятельности бургомистра Магдебурга Отто фон Герике, которого сейчас все знают по его знаменитому опыту с двумя дюжинами лошадей, не сумевшими растащить «магдебургские полушария», потому что их держал вместе вакуум.

Magnum opus (труд жизни) Отто фон Герике содержит семь глав, и только третья из них посвящена его опытам с вакуумом. По объему она самая большая в книге — 40 страниц, остальные шесть глав — в общей сложности 100 страниц — представляют собой обзор современной автору физики — от геоцентрической теории Вселенной до электричества, причем в каждой из глав описаны и собственные наблюдения, и опыты Герике в этих областях физики. Ученые-полиматы, имевшие интересы в самых разных науках, в раннее Новое время были скорее правилом, чем исключением, но случай Отто фон Герике, пожалуй, уникальный.

Политик в науке

В Священной Римской империи германских народов он был заметным политиком, не «тяжеловесом» по современной терминологии, а регионального уровня, но весьма успешным и известным в Бранденбургской марке (в недалеком будущем Королевстве Пруссия). Родившийся в одной патрицианских семей Магдебурга, связанной переплетением родственных уз с другими богатыми и влиятельными семейными кланами города, он был обречен на карьеру политика, его дед и отец в разное время избирались мэрами Магдебурга.

Но прежде наследник семейных традиций и пивоваренного бизнеса в Марбурге он должен был получить соответствующее образование, что и было сделано. В 15 лет закончилось его домашнее образование, и он отправился учиться на правоведа в Университете Лейпцига, потом изучал математику и инженерное дело в университетах Йены и Лейдена, а завершил учебу девятимесячной постдоковской стажировкой, как сказали бы сейчас, в Англии и Франции. Потом вернулся домой в Магдебург, где в 1626 году женился и был назначен членом городского совета. Даже шедшая тогда Тридцатилетняя война и один из самых драматических ее эпизодов — разграбление в 1631 году зажиточного протестантского Магдебурга армией имперской католической лиги — не прервала традиционной семейной карьеры Герике.

Вернувшись домой после ухода из Магдебурга армии немецких католических княжеств, Отто Герике обнаружил, что он бездомный и нищий, но не отчаялся, открыл в городе пивоварню, довольно быстро поправил свое материальное положение, а в 1646 году был назначен бургомистром города. Мэром Магдебурга, как часто пишут даже в школьных учебниках, он никогда не был. Мэр — должность выборная и представительская, а реальная, исполнительная власть принадлежала бургомистру. В некоторых свободных городах Германии того времени, например, в вольном ганзейском городе Бремене бургомистр имел добавку в титуле «бургомистр и президент Сената».

Свободным городом до его разорения (практически весь город сгорел, погибло 80% его населения) был и Магдебург, но теперь его аннексировало Бранденбургское маркграфство, и главной целью бургомистра Герике было восстановление городской автономии до возможного максимума. Это стоило Герике более 20 лет непрерывного мотания по Священной Римской империи германских народов с визитами к многочисленным немецким монархам разного калибра, непрерывных переговоров в Потсдаме (резиденции бранденбургских курфюрстов), но в итоге он добился поставленной цели.

В 1666 году Отто Герике от имени граждан Магдебурга подписал договор с курфюрстом Бранденбургским Фридрихом Вильгельмом I о статусе «свободного города Магдебурга», и в том же 1666 году он милостью императора Священной Римской империи германских народов стал Отто фон Герике, то есть получил потомственное дворянство. Свобода Магдебурга была весьма условной, в городе стоял гарнизон прусских солдат, а из городской казны ежегодно отчислялась некая сумма за «свободу», но для Магдебурга это был единственный возможный вариант «вольного города», и Герике его реализовал.

Главный научный труд своей жизни Отто фон Герике посвятил Фридриху Вильгельму. Курфюрст даже, говорят, полистал книгу фон Герике, там, кстати, много прекрасных иллюстраций-гравюр, и назначил сына магдебургского бургомистра Ганса Отто своим резидентом (полпредом по современной терминологии) в Гамбурге. В общем, как говорится, жизнь Отто фон Герике удалась. Но остается вопрос, когда же успевал при такой жизни с профитом варить пиво и, главное, заниматься наукой, причем с высоким КПД.

Ведь кроме основных проблем современной ему физики, где он тоже оставил свой след, Герике сконструировал довольно мощный и, главное, работающий вакуумный насос, чего не удавалось сделать никому (включая античных ученых и даже китайцев, которые по канонам современной истории науки давным-давно изобрели и смастерили все то, что европейцы сумели сделать только в Новое время), и наглядно продемонстрировал ученым и простому народу силу вакуума.

В этом и заключается необычность ученого политика Отто фон Герике, который оставил в истории науки свои магдебургские полушария, известные каждому школьнику во всем мире, а немецкому народу память о том, каким должен быть «отец города». В истории науки есть, пожалуй, только один подобный ученый — Бенджамин Франклин, совмещавший бурную политическую деятельность с наукой, в истории которой от него остался громоотвод.

Цирк и наука

Первая публичная демонстрация силы вакуума Герике состоялась 8 мая 1654 года в городе Регенсбурге, где почетными зрителями были депутаты имперского рейхстага и сам император Священной Римской империи германских народов Фердинанд III. 30 лошадей, по 15 с каждой стороны, тщетно пытались растащить в стороны медные полусферы, соединенные в шар диаметром около полуметра, из которого Герике откачал воздух. Почему для демонстрации Герике выбрал Регенсбург, понятно: именно здесь по традиции собирался имперский рейхстаг — аналог нынешнего европарламента в ЕС, а его депутаты могли быть полезными бургомистру Магдебурга, да и сам император тоже.

В родном Магдебурге Герике показал такое же представление два года спустя, там было по восемь лошадей в упряжках по разные стороны медного шара с вакуумом внутри. Именно эта демонстрация (судя по числу лошадей в упряжках) в виде гравюры из книги Герике 1672 года вот уже три века кочует по страницам школьных учебников физики и энциклопедий. Глядя на нее, понятно, что рисовали ее не с натуры, чересчур буколически выглядит пейзаж с фигурой Герике на первом плане в позе Аполлона Бельведерского, но таковы были каноны стиля позднего классицизма, а суть дела от этого не страдала, зрителю было предельно ясно, что лошадки выбиваются из сил зря. И, наконец, третья при жизни Герике демонстрация «магдебургских полушарий» состоялась специально для курфюрста бранденбургского в Берлине в начале 1660-х годов (насчет точной даты историки путаются), там было по 12 лошадей в упряжках.

Надо отметить, что Герике проводил не только похожие на цирк представления. В своем городе бургомистр проводил и более строгие научные эксперименты, где можно было оценить мощность его вакуумного насоса и силу вакуума более точно, чем лошадиными силами. На сооружении, сильно похожем на городскую виселицу, только сколоченную их более массивных деревянных брусьев, вместо висельника подвешивался деревянный поддон и на него ставили грузы, другой конец каната от платформы с грузами через блок на конце верхней перекладины Г-образной «виселицы» шел к крышке медной бочки, из которой был откачан воздух. Разумеется, бургомистр не ставил себе целью развлекать горожан своими опытами, просто такие опыты внутри дома провести было затруднительно, для них требовалось пространство. Они проводились на улице, и народ, конечно же, собирался поглазеть на них.

Все эти демонстрации впервые в научной литературе были описаны не самим Герике, а профессором Каспаром Шоттом из Вюрцбурга в книге «Mechanica hydraulico-pneumatica», вышедшей в 1657 году, то есть на 15 лет раньше книги Герике. Специалист по гидравлике-пневматике профессор Шотт внимательно следил за опытами бургомистра Магдебурга с вакуумом, состоял с ним в переписке и включил его опыты в свою книгу с разрешения Герике.

В толстом (487 страниц) томе «Гидравлической и пневматической механики» Шотта последние 40 страниц занимает приложение «Experimentum novum magdeburgicum», где весьма коротко описаны публичные опыты Герике, а в основном речь идет о его вакуумном насосе. И сам Герике в своей книге тоже больше внимания уделяет принципам работы пневматических насосов. Именно вакуумный насос Герике, а не цирк с лошадями, заинтересовал одних из первых читателей книги Шотта — Роберта Бойля и Роберта Гука. Они даже построили его усовершенствованный вариант. Как мы помним, потом первый из Робертов сформулировал закон сжатия газов (современная его версия носит название закон Бойля—Мариотта), второй — закон упругой силы.

Герике был первым, кто экспериментально доказал феномен упругости газов (воздуха в его случае). Это на первый взгляд элементарно простое открытие — яркий пример того, как бывает, когда очевидную вещь ученые просто не видят. А в результате нагнетающие насосы были известны по крайней мере со II века до н. э. (их изобретение приписывают александрийскому греку Ктесибию, который вроде бы даже пневматическую пушку сделал), а отсасывающие, вакуумные насосы еще почти две тысячи лет никто не удосужился сделать, даже древние китайцы. Хотя самый элементарный вакуумный насос-шприц для отсасывания гноя из ран, копию современного шприца, описал в своих трудах еще Герон Александрийский.

Описывать лишний раз опыты Герике с вакуумом не имеет смысла, тем, кто забыл школьный курс физики, это неинтересно, а тем, кому это интересно, лучше почитать книгу Василия Петровича Борисова «Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса» или просто полистать ее, там много иллюстраций и достаточно посмотреть их, чтобы понять логику ученых в этой области. Также можно полистать книгу Герике «Ottonis de Guericke Experimenta Nova (ut vocantur) Magdeburgica», она на латыни, но читать ее не обязательно, там тоже много иллюстраций-гравюр, из которых понятно, о чем идет речь. Эти источники знания бесплатно доступны в интернете.

Лучше, наверное, подумать, что же такое застило глаза ученым почти две тысячи лет, если они не разглядели в шприце Галена генератор вакуума. На этот счет написано уже масса научных работ и будет написано еще больше, но, пожалуй, понятнее и короче всего попытался это объяснить тот же доктор наук Василий Борисов, серьезный специалист по вакуумной технике и замечательный историк науки. Если же совсем коротко, то главная проблема во все времена заключалась в восприятии человеком понятия пустоты.

Боязнь пустоты

Объяснять друг другу, что такое пустота,— занятие бессмысленное, все и так это знают. С точки зрения современного житейского представления о Вселенной, она почти целиком состоит из пустоты с редкими вкраплениями сгущений материи в виде звезд, планет, комет, туманностей, черных дыр и т. п. Но это сейчас, а раньше проблема была, и большая проблема.

Если Бог создал окружающий нас мир, то он создал и пустоту тоже. Создать пустоту, то есть ничего,— это действительно, если вдуматься, оксюморон еще тот. Но мировоззренческая позиция удобная, на вопрос: «А что же было до пустоты?» — есть логичный ответ: «А ничего не было!» В современной теории Большого взрыва такое объяснение сойдет. Но раньше невольно навеивала еретическую мыслишку: как так получилось, что львиная доля созданного Творцом — пустота.

В XIII веке ученому совет Сорбонны пришлось специальным постановлением отнести пустоту к категории causus divini, то есть явлению, не существующему в зримой природе и возможного только для Бога. В такой парадигме европейская наука жила до середины XVII века, во всяком случае герой книги Сирано де Бержерака «Иной свет, или государства и империи Луны» (1650) говорил: «Если ваши слова идут вразрез с принципами, которым учат эти суконные доктора, то, как бы умно вы ни говорили, вы все-таки идиот, сумасшедший или атеист. У меня на родине меня хотели посадить в тюрьму инквизиции за то, что я утверждал в лицо педантам, что существует пустота…».

Как раз в это время в европейской науке начались первые опыты по изучению пустоты с помощью физических приборов (в Италии — Берти и Вивиани, в Германии — Отто Герике). Но до этого все научные споры о пустоте носили умозрительный или, выражаясь научным языком, теоретический характер. Историки науки даже определили начало научной теории пустоты V веком до н. э.

У представителей школы атомистов Левкиппа и Демокрита мир состоял из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайших частиц — атомов. Научная логика здесь была простая и железобетонная: если не будет пустоты между атомами, то они не смогут куда-либо двигаться и складываться в различные материальные тела. «Начала — атомы и пустота, все же остальное существует лишь в мнении» — такова было парадигма античной атомистики. В популярном виде ее изложил Лукреций 400 лет спустя в поэме «De rerum natura» («О природе вещей»):

«Если ж пространства иль места, что мы пустотой называем,

Не было б вовсе, тела не могли бы нигде находиться

И не могли б никуда и двигаться также различно.

…Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся

Если ж, как капли дождя, они вниз продолжали бы падать,

Не отклоняясь ничуть на пути в пустоте необъятной,

То никаких бы ни встреч, ни толчков у начал не рождалось,

И ничего никогда породить не могла бы природа.

…Никогда никакую нигде не способна

Вещь задержать пустота и явиться какой-то опорой,

В силу природы своей постоянно всему уступая.

Должно поэтому все, проносясь в пустоте без препятствий,

Равную скорость иметь, несмотря на различие в весе».

Сейчас все это, только более корявым языком, написано в школьном учебнике физики, а Лукреций писал это в годы диктатуры в Риме Юлия Цезаря или сразу после его убийства. Иными словами, образованные римляне того времени разбирались в азах физики не хуже нас с вами. Но ученые Нового времени познакомились с Лукрецием только во второй половине XV века, когда в одном из немецких монастырей была найдена чудом уцелевшая рукопись «О природе вещей» и издана в Италии в 1473 году, то есть спустя два века после научной канонизации постулата «природа не терпит пустоты» в Сорбонне.

Однако толчком к переосмыслению физики пустоты античная атомистика даже в таком понятном любому человеку виде, как у Лукреция, не стала. Произошло это спустя еще два века. А до тех пор и ранее ученых вполне устраивала аристотелева физика, в которой «пустое пространство было бы абсурдом, так как здесь “окружающее” ничего не окружает». А эмпирика зиждилась на постулате Аристотеля о том, что качества предметов воспринимаются нами через ощущения: белое, черное, теплое, холодное, тяжелое, легкое, упругое, твердое и т. д., и пустота, не являлась носителем чувственно воспринимаемых качеств, не могла быть объектом физической реальности.

Только в прошлом веке фундаментальное противоречие между корпускулярной физикой и волновой с обязательным однозначным ответом на вопрос, что такое материя — поток частиц с пустотой межу ними или сплошная волновая среда, было устранено благодаря квантовой теории поля. Понятно, что устранено оно до поры до времени, такие вопросы, как показывает вся история науки, в принципе не имеют окончательного решения и, похоже, действительно относятся к категории causus divini.