Герике, Отто фон

Не зная ещё ничего об изобретении ртутного барометра (1643 год) и о так называемой торричеллиевой пустоте, Герике настойчиво стремился разрушить путём опыта старинный философский спор о пустом пространстве. И вот, около 1650 года, результатом этой настойчивости стало изобретение воздушного насоса.

Оригинальные Магдебургские полушария и вакуумный насос в экспозии Немецкого музея Мюнхена

Герике сначала не считал возможным выкачивать воздух непосредственно и хотел образовать пустое пространство в герметически закрытой бочке посредством удаления наполнявшей её воды. С этой целью он ко дну бочки приделал насос, думая, что только при таком расположении прибора вода будет следовать за поршнем насоса вследствие своей тяжести. Отсюда видим, что вначале у Герике не было ещё определенного понятия об атмосферном давлении и вообще об упругости воздуха. Когда эта первая попытка не удалась, так как в образующуюся пустоту сквозь щели и поры бочки проникал с шипением наружный воздух, Герике попробовал поместить свою бочку в другую, тоже наполненную водой, предполагая этим способом предохранить пустоту от устремляющегося в неё воздуха снаружи. Но и на этот раз опыт оказался неудачным, так как вода из наружной бочки под влиянием атмосферного давления протекала сквозь поры во внутреннюю и наполняла пустоту. Тогда, наконец, Герике решился приложить насос к непосредственному выкачиванию воздуха из медного шарообразного сосуда, все ещё придерживаясь своего ложного предположения, что и воздух, подобно воде, может следовать за поршнем насоса только благодаря своей тяжести, поэтому и теперь насос был привинчен внизу сосуда и расположен вертикально. Результат выкачивания был совсем неожиданным и напугал всех присутствующих: медный шар не выдержал внешнего давления и с треском был скомкан и сплюснут. Это заставило Герике приготовлять для следующих опытов резервуары более прочные и более правильной формы. Неудобное расположение насоса вскоре принудило Герике устроить специальный для всего прибора треножник и приделать к поршню рычаг; таким образом был устроен первый воздушный насос, названный автором Antlia pneumatica. Конечно, прибор был ещё очень далек от совершенства и требовал не менее трёх человек для манипуляций с поршнем и кранами, погружёнными в воду, для лучшей изоляции образующейся пустоты от наружного воздуха.

Роберт Бойль, внесший в пневматическую машину значительные усовершенствования, считал Отто фон Герике её настоящим изобретателем. И хотя Герике в начале своих исследований ошибочно истолковывал действие своего прибора (тяжестью, а не упругостью воздуха, заключенного в резервуар), тем не менее он, по-видимому, хорошо понимал невозможность достижения при посредстве воздушного насоса абсолютной пустоты.

Герике следует считать изобретателем только воздушного разрежающего насоса: нагнетательные насосы были известны ещё в древности, и их изобретение приписывается Ктезибию, жившему во II веке до н. э. в Александрии. Духовые ружья тоже были уже известны Герике, однако к понятию об упругости воздуха он пришёл только после устройства своего насоса, на основании многих опытов. Очевидно, вопрос этот, столь элементарный сегодня, для того времени нужно считать одним из самых трудных, и установление закона Бойля — Мариотта около 1676 года — одним из самых важных завоеваний человеческого ума того времени.

Опыты, которые Герике показывал публично со своими воздушными насосами, доставили ему громкую известность. Различные высокопоставленные лица нарочно заезжали в Магдебург, чтобы лично убедиться в справедливости всех этих новинок. Общеизвестный опыт с магдебургскими полушариями был показан в 1654 году в Регенсбурге во время Рейхстага. Опыт доказал наличие давления воздуха. Другие из его пневматических опытов и поныне повторяются на школьных уроках физики и описаны в учебниках.

Магдебургский эксперимент

Один из опытов Герике заключался в следующем: шар, наполненный воздухом, и другой, из которого воздух был предварительно выкачан, сообщались посредством трубки; тогда воздух из первого шара входил в пустой шар с такой стремительной скоростью, что показывало Герике сходство этого явления с земными бурями.

Опыт с плотно завязанным бычьим пузырём, который разбухает и наконец разрывается под колоколом пневматической машины, был тоже тогда придуман для демонстрации упругости воздуха. Уяснив себе раз эти явления упругости, Герике быстрыми шагами пошёл дальше, и его выводы всегда отличались строго логической последовательностью. Вскоре он стал доказывать, что так как воздух имеет вес, то атмосфера сама на себя производит давление, и нижние слои воздуха при поверхности Земли, как наиболее сжатые, должны быть наиболее плотными. Для наглядной демонстрации этого различия упругости он придумал следующий прекрасный опыт: шар, наполненный воздухом, запирался при помощи крана и переносился на высокую башню; там при открытии крана замечалось, что часть воздуха выходит из шара наружу; наоборот, если шар был наполнен воздухом и заперт на высоте, а потом перенесён вниз, то воздух при открытии крана устремлялся внутрь шара. Герике очень хорошо понимал, что необходимым условием убедительности этого опыта было постоянство температуры, и он заботился о том, чтобы переносимый с воздухом шар был «одинаково нагрет как внизу, так и на вершине башни». На основании подобных опытов он пришёл к выводу, что «вес известного объёма воздуха представляет собою нечто весьма относительное», так как вес этот находится в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Результатом всех этих соображений было устройство «манометра», то есть «прибора, предназначенного для измерения различия в плотности, или в весе, данного объёма воздуха». Ныне мы этим термином называем прибор, служащий для измерения упругости (давления) газов в миллиметрах ртутного столба. Прибору же Герике Роберт Бойль, подробно его описавший, дал название «статического барометра», или «бароскопа», которое сохранено за ним и в наше время. Прибор этот, основанный на законе Архимеда, состоит из большого полого шара, уравновешенного при помощи коромысла весов гирькой малых размеров. В бароскопе Герике шар имел в диаметре около 3 метров. Он был впервые описан в письме Герике к Каспару Шотту в 1661 году.

Ранее этого, около 1657 года, Генрике устроил свой грандиозный водяной барометр. Во время пребывания в Регенсбурге в 1654 году он узнал (от одного монаха, Магнуса) об опытах Торричелли. Возможно, что это важное известие побудило его заняться тем же вопросом, а может быть он и самостоятельным путём пришёл к изобретению своего водяного барометра, устройство которого было тесно связано с его прежними пневматическими опытами. Как бы то ни было, прибор этот уже существовал в 1657 году, так как есть указания, что с этого именно времени наблюдалась зависимость его показаний от состояния погоды. Он состоял из длинной (в 20 магд. локтей) медной трубки, прикрепленной к наружной стенке трёхэтажного дома Герике. Нижний конец трубки был погружён в сосуд с водою, а верхний, дополненный стеклянной трубкой, был снабжён краном и мог быть соединён с воздушным насосом. При выкачивании воздуха вода поднялась в трубке до высоты 19 локтей; тогда кран был закрыт, и барометр разобщался с насосом. Вскоре при помощи этого прибора Герике нашёл, что атмосферное давление постоянно изменяется, почему он и назвал свой барометр словами Semper vivum. Потом, заметив соотношение между высотой воды в трубке и состоянием погоды, он назвал его Wettermännchen. Для большего эффекта на поверхности воды в стеклянной трубке был поплавок, имевший вид человеческой фигурки с протянутой рукой, которая указывала на таблицу с надписями, соответствующими различным состояниям погоды; вся же остальная часть прибора была нарочно замаскирована деревянной обшивкой. В своей книге Герике дал своему барометру название Anemoscopium. В 1660 году он привёл всех жителей Магдебурга в крайнее возмущение, предсказав сильную бурю за 2 часа до её начала.

Избрав предметом своих исследований воздух, Герике старался доказать опытным путём необходимость его соучастия в таких явлениях, как передача звука на расстояние и горение. Им был придуман известный опыт с колокольчиком под колпаком воздушного насоса, а в вопросе о горении он значительно опередил современных ему философов, имевших об этом явлении самые смутные представления. Так, например, Рене Декарт в 1644 году старался доказать путём рассуждения, что лампа может гореть в герметически закрытом пространстве сколько угодно долго.

Убедившись, что свеча не может гореть в резервуаре, из которого выкачан воздух, Герике доказал с помощью специально для этой цели устроенного прибора[7], что пламя пожирает воздух, то есть что некоторая часть воздуха (по его мнению, около 1/10) уничтожается горением. Вспомним, что в эту эпоху ещё никаких химических сведений не было, и о составе воздуха никто не имел ещё представления; неудивительно поэтому, что и Герике не мог объяснить факта поглощения части воздуха при горении и говорил только, что пламя портит воздух, потому что его свеча гасла в закрытом пространстве сравнительно скоро. Во всяком случае, он был гораздо ближе к истине, чем те химики 17 века, которые создали гипотезу флогистона.

Герике занимался также изучением действия теплоты на воздух, и хотя в устройство своего воздушного термометра он не внёс никаких существенных усовершенствований сравнительно с известными тогда приборами (носившими в его время в Италии название caloris mensor), тем не менее мы можем смело сказать, что он был первым по времени метеорологом. Не касаясь спорного и в сущности маловажного вопроса об изобретении термометра[8], которое чаще всего приписывается Галилею, но также и Дреббелю и врачу Санкториусу, отметим только, что первоначальная форма его была крайне несовершенна: во-первых, от того, что на показания прибора влияла не только температура, но и атмосферное давление, а во-вторых, вследствие отсутствия определённой единицы (градуса) для сравнения тепловых эффектов.

Термометр Герике. Иллюстрация из книги Otto von Guericke’s Experimenta Nova Magdeburgica

Термометр (воздушный) того времени состоял из резервуара с трубкой, погружённой открытым концом в сосуд с водою; уровень приподнятой в трубке воды изменялся, очевидно, в зависимости от температуры воздуха в резервуаре и от внешнего атмосферного давления. Странно, что и Герике, которому это последнее влияние должно было быть хорошо известным, не обращал на него внимания, по крайней мере в его термометре это влияние не устранено. Сам прибор, предназначенный исключительно для наблюдений изменения температуры наружного воздуха и потому подобно барометру помещённый на наружной стене дома, состоял из сифонной (металлической) трубки, наполненной приблизительно до половины спиртом; один конец трубки сообщался с большим шаром, содержащим воздух, другой был открыт и заключал поплавок, от которого шла нить через блок; на конце нити свободно качалась в воздухе деревянная фигурка, указывающая рукою на шкалу с 7 делениями. Все подробности прибора, кроме шара, на котором красовалась надпись Perpetuum mobile, фигурки и шкалы, были тоже закрыты досками. Крайние точки на шкале были отмечены словами: magnus frigus и magnus calor. Средняя черта имела особое значение, так сказать, климатическое: она должна была соответствовать той температуре воздуха, при которой в Магдебурге появляются первые осенние ночные морозы.

Отсюда можем заключить, что хотя первые попытки отметить 0° на шкале термометра принадлежал знаменитой в истории опытной физики Флорентийской академии (Del Cimento)[9], но и Герике понимал, как важно и необходимо иметь на термометрической шкале хотя бы одну постоянную точку,[10] и, как мы видим, пытался сделать в этом направлении новый шаг вперед, избрав для регулирования своего термометра произвольную черту, соответствующую первым осенним морозам.

Гравюра 1750 года, демонстрирующая устройство для получение статического электричества

Переходим теперь к другой области физики, в которой имя Герике пользуется тоже вполне заслуженной известностью. Мы говорим об электричестве, которое в то время, призванное, так сказать, к жизни опытными исследованиями Гильберта, представляло в виде нескольких отрывочных фактов лишь ничтожный и никого не интересующий зародыш той грандиозной силы, которой суждено было завоевать внимание всего цивилизованного мира и опутать земной шар сетью своих проводников.

Отто фон Герике называют иногда только остроумным изобретателем физических приборов, стремящимся прославиться среди современников своими грандиозными опытами и мало заботящимся о прогрессе науки. Но Фердинанд Розенбергер (1845—1899) в своей «Истории физики» совершенно справедливо замечает, что такой упрёк лишён всякого основания, ибо Герике вовсе не имел исключительной цели удивлять публику. Он всегда руководился чисто научными интересами и выводил из своих опытов не фантастические идеи, а настоящие научные заключения. Лучшим доказательством этому служат его экспериментальные исследования явлений статического электричества, которыми в это время — повторяем — ещё мало кто интересовался[11].

Желая повторить и проверить опыты Гильберта, Герике изобрёл прибор для получения электрического состояния, который если и не может быть назван электрической машиной в настоящем значении этого слова, потому что в нём недоставало конденсатора для собирания электричества, развиваемого трением[12], то всё же послужил прототипом для всех поздних устраиваемых электрических открытий. Сюда прежде всего следует отнести открытие электрического отталкивания, которое было неизвестно Гильберту.

Для развития электрического состояния Герике приготовил довольно большой шар из серы, который при посредстве продетой насквозь оси приводился во вращение и натирался попросту сухой рукой. Наэлектризовав этот шар, Герике заметил, что притягиваемые шаром тела после прикосновения отталкиваются; затем он подметил ещё, что свободно носящаяся в воздухе пушинка, притянутая и вслед затем оттолкнутая от шара, притягивается другими телами. Герике доказал также, что электрическое состояние передается по нитке (льняной); но при этом, не зная ещё ничего об изоляторах, длину нитки он брал только в один локоть и мог придавать ей лишь вертикальное расположение. Он первый наблюдал на своем серном шаре электрическое свечение в темноте, но искры не получил[13]; он слышал также «в серном шаре» слабый треск, когда подносил его близко к уху, но не знал, чему это приписать.

В области магнетизма Герике сделано тоже несколько новых наблюдений. Он нашёл, что железные вертикальные прутья в оконных решётках намагничиваются сами собою, представляя вверху северные, а внизу южные полюсы, и показал, что можно слегка намагнитить железную полосу, расположив её в направлении меридиана и ударяя по ней молотком.

Строение Вселенной по Отто фон Герике

Также занимался астрономией. Был сторонником гелиоцентрической системы. Разработал свою космологическую систему, отличавшуюся от системы Коперника предположением о наличии бесконечного пространства, в котором распределены неподвижные звёзды. Полагал, что космическое пространство является пустым, но между небесным телами действуют дальнодействующие силы, регулирующие их движение.

Немецкий физик Розенбергер, автор труда «История физики» так писал о Герике: