Отто фон Ґеріке

Будова Всесвіту за Отто фон Ґеріке.

Великою мірою напрямок майбутньої наукової роботи Отто фон Ґеріке вирішили його зацікавлення астрономією й погляди на світобудову. Він був прихильник геліоцентричної системи й загалом поділяв ідеї Коперника. Розвинув їх у тому, що припустив про нескінченність Всесвіту (і таким чином подав свій розв'язок однієї з антиномій Канта), в якому розподілені нерухомі зірки. У час, коли ще не сформульовано Ньютонового закону всесвітнього тяжіння, який обґрунтував відомі три закони небесної механіки Кеплера, Ґеріке підтримував гіпотезу про те, що рух між небесним тілами регулюють далекодійні сили. Він також висловив припущення про циклічність появи комет. Кардинальною засадою його системи було твердження про вакуум у космічному просторі. Таке твердження і в XXI столітті можна було б вважати антиномією, оскільки абсолютний вакуум — без полів і мікрочастинок — це абстракція, яку неможливо здійснити на практиці.

Німецький фізик Розенберґер, автор праці «Історія фізики» так писав про Ґеріке[3]:

Ґеріке, звичайно, не належав до фізиків, що діяли за певними нормами тієї чи іншої школи; але він був кимсь більшим — мав проникливий розум, правильно відчував потреби науки, водночас будучи майстерним експериментатором і тямущим математиком, що цікавиться числами та мірами... Поряд із Йоганном Кеплером він безперечно найбільший із німецьких фізиків сімнадцятого століття...

Ще не знаючи про винахід ртутного барометра (1643) і про так звану торрічеллієву порожнечу, Ґеріке наполегливо провадив дослідження, щоб знайти спосіб, який поклав би край старовинному філософському спору про порожній простір. Близько 1650 року результатом цієї наполегливості став винахід повітряної помпи.

Оригінальні магдебурзькі півкулі та вакуумна помпа в Німецькому музеї Мюнхена.

Вважаючи неможливим безпосереднє випомповування повітря, Ґеріке поставив за мету утворити порожній простір способом видалення води із герметично закупореної бочки. Він прилаштував помпу до дна бочки, бо гадав, що тільки при такому розташуванні пристрою вода йтиме за поршнем під дією своєї ваги. З цього можна виснувати, що спочатку в Ґеріке ще не було чіткого уявлення про пружність повітря і атмосферний тиск як такий. Ця перша спроба не вдалася, бо в утворену порожнечу крізь шпарини між клепками й порами в деревині проникало повітря. Щоб уникнути такого порушення герметичності, вчений помістив бочку в більшу, теж наповнену водою. Цього разу в меншу бочку під впливом атмосферного тиску просочувалася вода із зовнішньої бочки й заповнювала порожнечу. Зрештою Ґеріке вирішив безпосередньо видаляти повітря з порожнистої мідної кулі, причому пригвинтив помпу до нижньої частини піддослідного предмета, все ще помилково вважаючи, що повітря, як і вода, може йти за поршнем насоса тільки під дією своєї ваги. Результат досліду був зовсім несподіваний і налякав усіх присутніх: мідна куля не витримала атмосферного тиску й гучно зім'ялася та сплюснулася. Треба було вибирати для наступних дослідів міцніші резервуари. Через незручне розташування помпи довелося спеціально для неї виготовити триногу й приробити до поршня важіль. Таким чином створено першу повітряну помпу, яку автор назвав лат. Antlia pneumatica. Звичайно, пристрій був ще дуже далекий від досконалості й вимагав не менш як трьох осіб для маніпуляцій з поршнем та кранами, зануреними у воду, щоб якнайкраще ізолювати вакуум від зовнішнього повітря.

Роберт Бойль, що істотно вдосконалив пневматичну машину, вважав Отто фон Ґеріке її справжнім винахідником. І хоча Ґеріке на початку своїх досліджень помилково тлумачив її дію (вагою, а не пружністю повітря в резервуарі), та він, мабуть, добре розумів, що з допомогою повітряної помпи неможливо досягти абсолютної порожнечі.

Ґеріке належить вважати винахідником тільки повітряної розріджувальної помпи, бо нагнітальні були відомі ще в давнину. Їх винахід приписують Ктесібієві, що жив у II столітті до н. е. в Александрії. Духові рушниці теж були вже відомі Ґеріке, однак до уявлення про пружність повітря він дійшов лише після багатьох дослідів із цією помпою. Очевидно, це питання, нині елементарне, на той час було нелегке, і закон Бойля — Маріотта (близько 1676 року) став одним із тодішніх найважливіших досягнень людського розуму.

Публічні експерименти з повітряними помпами прославили Ґеріке. Різні високопоставлені особи навмисне заїжджали до Магдебурга, щоб пересвідчитись у правдивості всіх цих новинок. Загальновідомий дослід із магдебурзькими півкулями показано 1654 року в Реґенсбурзі, коли зібралися члени Рейхстагу. Експеримент довів наявність тиску повітря. Інші досліди вченого в галузі пневматики описані в підручниках й досі повторюються на шкільних уроках фізики.

Магдебурзький експеримент. Малюнок Каспара Шотта.

В одному з дослідів Ґеріке сполучив трубкою кулю, наповнену повітрям, з кулею, із якої повітря попередньо викачано. Повітря з першої кулі входило в другу з великою швидкістю, і це явище експериментатор асоціював із земними бурями.

Дослід із щільно зав'язаним бичачим міхуром, який розбухає та нарешті розривається під ковпаком пневматичної машини, показав, що повітря має пружність. Невдовзі Ґеріке припустив: оскільки повітря має вагу, то атмосфера сама на себе робить тиск і нижні її шари під дією цього тиску мають бути найгустіші. Це припущення він підтвердив експериментально — на поверхні землі наповнив кулю повітрям, загерметизував її, зійшов на високу вежу й відкрив кран. Частина повітря вийшла з кулі назовні. Тоді вчений закрив кран, зійшов на землю, відкрив його, й повітря пішло всередину кулі. Необхідною умовою переконливості цього досліду стало те, що температура на поверхні землі й на вершині вежі була однакова. Ґеріке дійшов висновку, що вага повітря залежить від висоти над поверхнею землі. На основі закону Архімеда він винайшов пристрій, який назвав манометром, призначений для вимірювання різниці в густині повітря в різних умовах. Нині цей термін позначає прилад для вимірювання пружності (тиску) газів в міліметрах ртутного стовпа. Роберт Бойль описав пристрій Ґеріке й назвав його статичним барометром, або бароскопом. Ця назва залишилася в ужитку. Статичний барометр складається з коромисла терезів, порожнистої кулі діаметром три метри й гир для її зважування. 1661 року Ґеріке вперше описав цей винахід у листі до Каспара Шотта.

Близько 1657 року Ґеріке спорудив великий водяний барометр. У Регенсбурзі 1654 року він дізнався від монаха Магнуса про досліди Торрічеллі. Така відомість могла спонукати Ґеріке до винайдення водяного барометра. Втім, це винайдення логічно пов'язується з попередніми дослідами в галузі пневматики, які виконав німецький учений. Прилад складався з мідної й частково (в горішній частині) скляної трубки завдовжки 11 метрів, прикріпленої до стіни триповерхового будинку Ґеріке й зануреної в посудину з водою. У верхньому, наглухо запаяному кінці трубки був кран, який можна було під'єднати до повітряного насоса. Після відпомповування повітря вода в трубці піднялася до висоти 10,45 метра, відтак кран закрили й від'єднали барометр від насоса. Завдяки цьому приладу виявилося, що атмосферний тиск ненастанно змінюється, тож Ґеріке дав барометру назву «лат. semper vivum», тобто «вічно живий». Згодом дослідник, спостерігши зв'язок між зміною висоти водяного стовпа й наступною в часі зміною стану погоди, помістив у скляну трубку поплавець. Задля ефектності цей поплавець (Ґеріке назвав його нім. «Wettermännchen», тобто «погодний чоловічок») мав вигляд людської постаті з простягненою рукою, яка вказувала на таблицю з написами, відповідними різним станам погоди. Крім скляної трубки, весь барометр, якому винахідник дав назву «лат. anemoscopium», тобто «анемоскоп», або ж «вітрогляд», обшито дерев'яними дошками. 1660 року Ґеріке здивував жителів Магдебурга, передбачивши сильну бурю за дві години наперед.

Щоб довести на практиці необхідність повітря у передаванні звуку на відстань, Ґеріке поставив дослід із дзвіночком під ковпаком, з якого випомпувано повітря. У питанні про участь повітря в горіння він значно випередив сучасних йому вчених, що мали про це явище доволі туманне уявлення. Наприклад, 1644 року Рене Декарт спробував довести теоретично, що лампа може необмежено довго горіти в герметично закритому просторі.

Переконавшись, що свічка не може горіти у вакуумі, Ґеріке експериментально довів необхідність участі повітря в горінні. Він помістив у герметичний резервуар запалену свічку й воронкоподібну посудину з водою, сполучену трубкою з резервуаром, наповненим водою. Спершу повітря в резервуарі від нагрівання розширювалося й через сполучну трубку витісняло частину води з посудини. Поки свічка могла горіти, піднімався рівень води в посудині, і цим наочно доведено, що в процесі горіння певна частина (на думку Ґеріке, одна десята) повітря зникає. На той час нічого не було відомо про склад повітря. Експериментатор був набагато ближче до істини, ніж ті хіміки XVII століття, які висунули гіпотезу флогістону.

Термометр Ґеріке. Ілюстрація з книги Оттo Ґеріке Experimenta Nova Magdeburgica.

Ґеріке вивчав цю дію. Його повітряний термометр нічим суттєвим не відрізнявся від уже відомих тоді аналогічних приладів (на той час в Італії термометр називали лат. caloris mensor), проте ми можемо сміливо сказати, що він був першим за часом метеорологом. Чи не торкаючись спірного і в сутності маловажного питання про винахід термометра[4], яке найчастіше приписується Галілею, але також та Корнеліусові Дреббелю та лікарю Санторіо Санторіо, відзначимо лише, що первісна форма його була вкрай недосконала: по-перше, від того, що на показання приладу впливала не лише температура, але і атмосферний тиск, а по-друге, внаслідок відсутності певної одиниці (градуси) для порівняння теплових ефектів.

Типовий тогочасний повітряний термометр складався з резервуара та трубки, зануреної відкритим кінцем у посудину з водою. Рівень води в трубці змінювався залежно від температури повітря в резервуарі й від зовнішнього атмосферного тиску. Хоча Ґеріке й мав знати про вплив цього тиску, а однак не враховував цього фактора; принаймні в його термометрі цей вплив не усунуто. Цей прилад, поміщений на зовнішній стіні будинку, складався з сифонної металевої трубки, наповненої приблизно до половини спиртом; один кінець трубки сполучався з великою кулею, наповненою повітрям, у другому, відкритому, містився поплавець, від якого через блок ішла нитка. На її кінці гойдалася в повітрі дерев'яна фігурка, що вказувала рукою на шкалу з сімома поділками. Увесь прилад, крім кулі, на якій був напис лат. Perpetuum mobile («Вічний двигун»), фігурки та шкали, був обшитий дошками. Крайні поділки на шкалі позначено словами лат. Magnus frigus («Великий холод») і лат. Magnus calor («Велике тепло»). Середня риска відповідала температурі повітря, при якій в Магдебурзі настають перші осінні заморозки.

Звідси можна зробити висновок, що хоча перші спроби відзначити нуль на шкалі термометра належали науковцям Флорентійської академії (італ. Del Cimento)[5], однак і Ґеріке розумів, що конче треба мати на термометричній шкалі хоча б одну постійну точку[6]. Тож він вибрав точку відліку, відповідну першим осіннім заморозкам.

Гравюра 1750 року, на якій зображено прилад для добування статичної електрики.

Фердінанд Розенберґер (1845–1899) у своїй «Історії фізики» зауважив, що Ґеріке завжди керувався суто науковими інтересами й висновував із своїх дослідів не фантастичні, а наукові ідеї. Найкращим доводом такого твердження служать його експериментальні дослідження явищ статичної електрики, якими тоді мало хто цікавився. Тільки після 1745 року, коли Пітер ван Мушенбрук і Евальд Георг фон Кляйст винайшли лейденську банку, широким масам стали відомі електричні явища. У той час показували різні досліди на площах та вулицях.

Бажаючи повторити та перевірити досліди Вільяма Ґілберта, 1663 року Ґеріке винайшов прилад для добування статичної електрики, який ще не був електричною машиною в нинішньому значенні цього слова, бо в ньому бракувало конденсатора для нагромадження електричного заряду[7], та все ж став основою всіх пізніших відкриттів у галузі електрики — передусім відкриття відштовхування однойменно заряджених тіл, яке було невідомо Ґілбертові.

Прилад Ґеріке складався з великої сірчаної кулі, посадженої на вісь. Цю кулю крутили й натирали сухими руками. Наелектризувавши її, Ґеріке зауважив, що тіла, притягнуті кулею, після дотику відштовхуються від неї, а тоді притягуються іншими тілами. Він виявив, що електричний заряд можна передати по лляній нитці. У 1672 році Ґеріке відкрив явище електролюмінісценції — спостеріг, що наелектризована сірчана куля світиться в темряві, але іскор не отримав. Чув, що вона потріскує, але не знав, чим це викликано. Електричну іскру вперше видобув із натертого бурштину доктор Валлеме у 1700 році, а близько 1710 року Френсіс Гоксбі видобував іскри завдовжки дюйм за допомогою видозміненого приладу Ґеріке: сірчану кулю замінено скляною.

Ґеріке виявив, що залізні вертикальні прути у віконних ґратах намагнічуються самі собою, причому вгорі міститься північний, а внизу південний полюс. Він також показав, що можна намагнітити залізну смугу, розташувавши її в напрямку меридіана й б'ючи по ній молотком.