طبیعت از خلأ بیزار است

 

اوانجلیستا توریچلی

این آزمایش را در دستشویی منزل انجام دهید. سه چهارم یک لیوان را از آب پر کنید و روی آن را با دستمالی بپوشانید و سعی کنید دستمال زیاد سفت نباشد و فقط با سطح آب تماس بگیرد. سپس دستمالی را با نخی دور لیوان آب ببندید. حال لیوان را به سرعت برگردانید.
ارسطو می گفت: «طبیعت از خلأ بیزار است.» و امروزه نیز به رغم اختراعات جدید و صنایع ماشینی پیشرفته باید گفت که ارسطو حق داشت و شاید در جهان چیزی به نام خلأ کامل وجود ندارد. چند مولکول همیشه در مقابل کوشش انسان در پاک کردن یک فضا از وجود گازهای مختلف مقاومت نشان می دهند. لیکن این مولکول ها آن مشکلی نبود که گالیله را در ساختمان تلمبه ها ناراحت ساخته و باعث شده بود که حل این مسئله را به شاگرد خود اوانجلیستا توریچلی واگذار کند. حتی مشکل یک خلأ تقریبی حل نشده بود چه رسد به خلأ کامل.
توریچلی، فیزیک دان و ریاضی دان مشهور، در 15 اکتبر سال 1608 در شهر فائنتسا واقع در شمال ایتالیا به دنیا آمد. او در مدرسه ژوزئیت شهر فائنتسا چنان استعداد خود را به ظهور رسانید که عموی کشیش وی او را برای تحصیل علوم از محضر بندتی کاستلی به روم فرستاد. کاستلی از شاگردان گالیله بود که در کالجیو دی ساپینزا تدریس ریاضی می کرد. اولین مقاله توریچلی، «درباره ابزار پرتاب»، را کاستلی به گالیله فرستاد. گالیله سخت تحت تأثیر استعداد ریاضی و تجزیه و تحلیل شاگرد جوان قرار گرفت با وجود این توریچلی نتوانست گالیله را ملاقات کند مگر سه ماه پیش از مرگ آن استاد بزرگ، که سه ماه در سال 1641 توریچلی با گالیله تازه نابینا شده به سر برد و سمت دستیاری او را به عهده گرفت.
گالیله بار اول توریچلی را تشویق کرد تا در مسئله ایجاد خلأ مطالعه کند. در آن زمان تلمبه سازان گراندوک توسکانی سعی کرده بودند آب را تا 12متر بالا بیاورند ولی آخرین حد ارتفاع آب از 6/ 9 متر بالاتر نرفته بود. گالیله پیشنهاد کرده بود که توریچلی در این مسئله تحقیق بکند.
دو سال بعد، توریچلی که به تازگی از ریاضی دانان دربار گراندوک توسکانی و استاد ریاضیات در آکادمی فلورنتین گشته بود، آزمایش مشهور خود را به عمل آورد و از همه مهم تر این که توریچلی توانست دلایل نتایج به دست آمده را بیان کند.
خوشبختانه صنایع شیشه و بلورسازی در ایتالیای آن روز پیشرفت زیادی داشت و توریچلی توانست سفارش لوله های آزمایش به طول 2/ 1 متر بدهد که یک طرف آن بسته بود. توریچلی یکی از لوله ها را تا لبه از جیوه پر کرد. او انگشت خود را در دهنه باز شیشه نهاده و لوله را داخل تشتکی پر از جیوه برگردانید و انگشت خود را به کنار کشید، مقداری از جیوه لوله وارد تشتک شد لیکن همه آن نیامد. آخرین لبه جیوه در داخل لوله در حدود 2/ 76 سانتی متر بالای جیوه تشتک ثابت ماند و فضای بالای جیوه خلأ بود. توریچلی لوله را کج کرد و جیوه بیشتری در لوله قرار گرفت اما ارتفاع همان 2/ 76 سانتی متر بود. وقتی آن را بیشتر کج کرد، سر لوله در فاصله ای کمتر از 2 /76 سانتی متر از بالای تشتک قرار گرفت و لوله پر از جیوه گشت. او دوباره لوله را راست کرد و همان فضای قبلی در بالای جیوه نمودار گشت. فضای بالای جیوه به طوری که حالا ما کشف کرده ایم محتوی چند مولکول از بخار جیوه است ولی عملاً خلأ به شمار می رود.
در این مورد چند سوال بی جواب مانده بود: اول این که چرا ستون جیوه در لوله باقی می ماند؟ چرا همگی به تشتک سرازیر نمی شد؟
توریچلی جواب این سوال ها را پیدا کرد. او گفت ما در اعماق دریایی از هوا زندگی می کنیم که آزمایش ها نشان داده این هوا دارای وزن است. بنابراین در سطح مایع موجود در تشتک ستونی به ارتفاع 80 کیلومتر از هوا فشار وارد می آورد و هیچ جای شگفتی نیست که در لوله آزمایش که چیزی وجود ندارد تا جلوی آن را بگیرد فقط تا معادل وزن هوای خارج بالا می رود و باز این هواست که از ریختن آن جلوگیری می کند. فشار هوا جیوه را در لوله نگه می دارد: این بود نتیجه و تعریف آزمایشی که او انجام داد.
حال توریچلی قادر بود علت بالا نیامدن آب را بیش از 6/ 9 متر در تلمبه مکنده بیان کند. این مقدار وزن آبی است که فشار هوای بیرون می تواند آن را تحمل کند. ارتفاع آن مسلماً بالاتر از ارتفاع جیوه است زیرا جیوه 6/ 13 مرتبه غلیظ تر از آب است. ضمناً توریچلی برای تهیه وسیله ای برای اندازه گیری چگالی هوا همت گماشت، لیکن این بلز پاسکال بود که آن را بارومتر (هواسنج) نامید. هرگاه عمق این دریای هوا کمتر گردد ارتفاع جیوه ای که هوا را تحمل می کند کمتر خواهد شد. مثلاً کمتر در قله اورست وزن هوایی که می تواند ستون جیوه را نگهداری کند فقط معادل ارتفاعی حدود 94/ 27 سانتی متر است.
بارومتر وسیله ای است که چگونگی وضع هوا را پیش بینی می کند. جای شگفتی است که وزن هوای مرطوب کمتر از هوای خشک است. بدین ترتیب وقتی هوا نم دار است هواسنج پایین می آید و هوای نم دار مقدمه نزول باران است و برعکس وقتی هوا خشک است هوا سنج بالا می رود. با این که تغییرات هوا گاهی مطابق پیش بینی هواسنج نیست، ولی روی هم رفته وقتی فشار هوا کمتر می شود انتظار هوای بدی را باید داشت و برعکس وقتی هواسنج بالا می رود هوای خوبی خواهیم داشت.
توریچلی متعاقب آزمایش خلأ آزمایش های دیگری نیز در این زمینه انجام داد. او مشاهده کرد که نور در خلأ سریع تر از هوا منتقل می شود و این نتیجه هویگنس را در تئوری امواج نور یاری کرد. او در مورد صدا و مغناطیس نیز آزمایش هایی انجام داد و در ضمن خدمات فراوانی به ریاضیات و هیدرولیک کرده است.
عمر توریچلی کوتاه بود. او در 1647 در سی و نه سالگی بدرود حیات گفت. ولی هر وقت هواسنج را می بینیم یا پیش بینی هوا را می شنویم خدمات او را به یاد می آوریم. در واقع این «اقیانوس هوا» است که مانع می شود آب از لیوان بیرون بریزد و دستمالی را در لبه آن نگه می دارد.
منبع: کان، فیلیپ؛ (1389) دانشمندان بزرگ، ترجمه سید مهدی امین و عباسعلی رضایی، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی