O existenci vakua, tedy prázdného prostoru bez volných částic, se lidé přeli po celá tisíciletí. Vzduchoprázdno nebylo jen fyzikálním problémem, ale také filozofickou otázkou o podstatě prostoru. Jako první potvrdil existenci vakua v 17. století italský fyzik Evangelista Torricelli. Stačil mu k tomu jednoduchý fyzikální experiment, ze kterého se zároveň stal i praktický vynález – rtuťový barometr.
Evangelista Torricelli se narodil v italské Faenze 15. října 1608 do chudých poměrů. Jenom díky strýci, mnichovi poustevnického řádu, se Torricellimu dostalo vzdělání. Dva roky studoval matematiku a filozofii v jezuitské koleji ve Faenze, odkud byl jako nadaný žák odeslán do benediktinského řádu v Římě. U benediktinů pracoval jako sekretář mnicha Benedetta Castelliho, profesora matematiky na Collegiu della Sapienza, dnešní římské Univerzitě La Sapienza. I když neexistují žádné záznamy o tom, že by Torricelli byl na univerzitě zapsaný ke studiu, je pravděpodobné, že od profesora Castelliho dostával výměnou za práci v jeho sekretariátu soukromé hodiny.
Torricelli byl nadaným fyzikem, čehož si všiml i samotný Galileo Galilei. Když si přečetl Torricelliho Pojednání o pohybu těles, chtěl mladého kolegu poznat, a tak ho pozval do své vily ve Florencii. Vzájemná spolupráce však trvala pouhé tři měsíce, když ji v roce 1642 ukončila Galileova smrt. I krátké setkání se zakladatelem moderní evropské vědy však mělo na Torricelliho vliv. Galilei po sobě zanechal několik nevyřešených otázek, mezi které patřil i problém toskánských kopáčů studní. Těm se nedařilo vypumpovat vodu ve studni výš než nad deset metrů, každý pokus končil odtržením od pístu pumpy, kdy už vodu nešlo dál pumpovat. Při studiu Galileových poznámek Torricelliho napadlo, že by příčinou mohlo být vakuum pod pístem.
Svoji domněnku ověřil v roce 1644 pokusem se skleněnou trubicí. Asi metr dlouhou a na jednom konci uzavřenou trubici naplnil rtutí a otevřeným koncem ji obrátil nad misku, která rovněž obsahovala rtuť. To však nebylo tak jednoduché, jak by se na první pohled mohlo zdát. Skleněné trubice byly v 17. století poměrně vzácným a také křehkým zbožím. Manipulace s trubicí naplněnou kilogramem rtuti se neobešla bez pomoci zručného asistenta. Rtuť ve dnem vzhůru obrácené trubici klesla a ustálila se na úrovni přibližně 76 centimetrů nad hladinou rtuti v misce. Torricelli správně usoudil, že hladina ve skleněné trubici se pohybuje kvůli hmotnosti atmosféry, která tlačí na rtuť v misce, a že prostor nad sloupcem rtuti je vyplněn vakuem. Torricelli byl tak vůbec první, komu se ve své laboratoři podařilo vytvořit vakuum. Experiment navíc správně pochopil a popsal.
O existenci vakua se vědci a filozofové přeli už od starověku. Platón a Aristoteles považovali koncept vakua za nesmysl a argumentovali tím, že jeho existence je proti přírodě. Ve středověku tento názor shrnovalo rčení příroda nenávidí vakuum, navíc diskuse o jeho existenci byly považovány za kacířské, a tedy za životu nebezpečné. Torricelli si byl moc dobře vědom, jak ožehavého tématu se svým experimentem dotýká. Experiment dokazující existenci vakua proto zpočátku nezveřejnil a pouze jej v dopisech popsal svému příteli Michelangelu Riccimu. V říjnu roku 1644 navštívil Torricelliho francouzský vědec Marin Mersenne. Jemu Torricelli demonstroval svůj pokus se sloupcem rtuti a také mu věnoval kopie dopisů Riccimu. Mersenne dopisy odvezl do Francie, kde je ukázal dalším kolegům, a tak došlo k postupnému zveřejnění Torricelliho práce.
Dopisy si přečetl i francouzský fyzik Blaise Pascal, který na jejich základě sestrojil stejnou aparaturu a v roce 1646 Torricelliho experiment zopakoval. Pascal se domníval, že atmosférický tlak by měl klesat s nadmořskou výškou, což ověřil společně s přáteli při vysokohorské túře v jižní Francii, a tím de facto položil základy meteorologie. Během experimentu přišel na to, že tlak působící na sloupec rtuti odpovídá hmotnosti atmosféry na danou jednotku plochy. Jedná se tedy o tzv. atmosférický tlak. Tohoto poznatku využil, zkombinoval ho s povrchem Země, a vypočítal tak celkovou hmotnost atmosféry. Jeho výsledek se od současné ustavené hmotnosti atmosféry Země lišil o méně než 30 %.
Experiment Evangelisty Torricelliho tak zároveň posloužil i jako první rtuťový barometr. Kvůli lepší přesnosti měření byla původní Torricelliho aparatura lehce upravena, ale princip zůstal stejný. Ve světových meteorologických stanicích sloužil rtuťový barometr jako referenční standard pro měření atmosférického tlaku více než tři století. Jde nejspíš o rekordní čas v používání měřicího přístroje ve stejném provedení. V 70. letech pak byly rtuťové barometry postupně nahrazovány piezoelektrickými měřiči tlaku s křemennými krystaly.
Torricelli jediným elegantním experimentem rozřešil tisíciletí trvající spor o existenci vakua. Povedlo se mu transformovat filozofický spor do problému experimentální fyziky. Experimentálním potvrzením existence vakua definoval podstatu prostoru. Barometr však nebyl jeho jediným úspěchem na poli fyziky a matematiky, známý je i jeho vzorec pro výpočet výtokové rychlosti ideální kapaliny, tzv. Torricelliho vzorec. Evangelista Torricelli zemřel 25. října 1647 ve věku 39 let.
Mohlo by vás také zajímat:
Záření,
které oslepilo vědce
Medailista
IOAA: Jižní obloha mě ohromila
Nobelova
cena za fyziku 2024