באיטליה בתקופתו של גלילאו חי מדען חשוב נוסף - טוריצ'לי, שגילה לעולם כיצד פועל הריק (ואקום). הרנסאנס במלוא תפארתו.
הפיזיקאי האיטלקי אוונג'ליסטה טוריצ'לי נולד ברומא למשפחה צנועה וחסרת אמצעים. על אף שהמזל לא האיר לו פנים, עבודתו הקשה השתלמה. הוא הצליח להגיע לפסגת האקדמיה האיטלקית ועבד עם גדול המדענים דאז, גלילאו גליליי. סקרנותו הובילה את מדינתו, ולאחר מכן את העולם כולו, אל עבר פתרון לחידה בת יותר מאלפיים שנה – מה טבעו של הוואקום? הדרך של טוריצ'לי לפתרון הבעיה התבססה על ניסוי פשוט שהכיל צלוחית, צינור זכוכית וכספית.
הפיזיקאי האיטלקי אוונג'ליסטה טוריצ'לי העביר את ילדותו בפאנצה, עיירה קטנה באיטליה הידועה ביצור המיוליקה, קדרות מזוגגות. את נעוריו הוא העביר עם משפחתו שהייתה חסרת אמצעים, אך הקשיים הכלכליים לא מנעו מטוריצ'לי לטפס בסולם האקדמי ולשתף פעולה עם גלילאו בפירנצה. בתקופה זו, גליליי הקדיש את זמנו למצוא פתרון לבעיית חופרי הבארות בטוסקנה.
חופרי הבארות היו מתוסכלים משום שלא יכלו לרומם מים לגובה של יותר מעשרה מטרים באמצעות משאבות. כשניסו לדחוף את המים גבוה יותר, הם זלגו מצינורות המשאבה. הבעיה העסיקה את גלילאו עד יומו האחרון ונותרה מבחינתו לא פתורה.
הניסוי של טוריצ'לי
בשנת 1644, שנתיים לאחר מותו של גלילאו, טוריצ'לי החליט לחקור את בעיית השאיבה מחדש ולהמשיך היכן שגלילאו עצר. כדי לשחזר את המערכת בתנאי מעבדה, הוא ניפח צינור זכוכית באורך מטר, האטום באחד מקצותיו. את הצינור הוא מילא בכספית והניח בעמידה על גבי צלוחית. מערכת הניסוי אומנם נשמעת פשוטה, אך הכנת הזכוכית הייתה מאתגרת עבור מדענים מהמאה ה-17. הזכוכיות היו שבירות, עדינות, יחסית נדירות ונהרסו לאחר שמולאו בקילוגרם כספית.
לאחר כמה ניסיונות, ובעזרת עוזרו המיומן, טוריצ'לי הצליח לבנות את מערכת הניסוי. המדען הצעיר שם לב שהכספית בצינור הזכוכית התקבעה בגובה של 76 סנטימטרים. הוא סיכם את הניסוי בכך שהלחץ האטמוספירי שהופעל על הכספית המונחת על גבי הצלוחית מעלה את הנוזל המתכתי לגובה ושהחלל שנותר בצינור הזכוכית הוא וואקום. זו הייתה הפעם הראשונה שוואקום נוצר במעבדה או לכל הפחות הוכר ככזה.
המושג וואקום נדון עוד בתקופת אפלטון ואריסטו שטענו שהוואקום נוגד את הטבע ואינו קיים. באירופה של ימי הביניים האמינו שהוואקום הוא מעשה כפירה ומסוכן. המילה עצמה הוזכרה לראשונה על ידי תומס קרנמר, הארכיבישוף של קנטרברי, במילון אנגלי בשנת 1550 כקונספט תאולוגי וכמקום ריק ללא חומר. ההשקפה הזו הייתה מקובלת דאז, אבל עם הצטרפותה של המלכה הקתולית מרי ב-1553, רוחות האורתודוקסיה השתנו. בשנת 1555 קרנמר הורשע בכפירה ובשנה שלאחר מכן נשרף על המוקד.
מכאן ברור כי ההישג הראשוני של טוריצ'לי היה לנתק את הוואקום מהקשרים מטאפיזיים ולחבר אותו לעולם הממשי. כמובן שהמדען האיטלקי ידע עם מי הוא מתעסק, בוודאי לאור ניסיונו המר של מורו המהולל, ולכן הוא החליט לשמור את תוצאות הניסוי הרחק מעיני הציבור. החלטה זו השתנתה באוקטובר 1644, כאשר המדען הצרפתי מרסן ביקר את טוריצ'לי כדי לשחזר את ניסוי הכספית. מרסן שיתף את תוצאות הניסוי עם פסקל ועמיתיו בצרפת ובכך חשף את הוואקום לעיני כל.
הוואקום ומדעי האטמוספירה
פסקל היה מדען מחונן ודי מהר הוא הבין את השלכותיו של הניסוי על חקר האטמוספירה. הוא עצמו שיחזר את הניסוי בשנת 1646, ובשנת 1648 ביקש מגיסו, פלורן פריה, למדוד בעזרתו את הלחץ האטמוספירי בגבהים שונים. מתקן הכספית הועלה על הר בדרום צרפת, וכפי שציפו, הלחץ שנמדד היה קטן יותר ביחס לקרקע. זו הייתה יריית הפתיחה למדע המטאורולוגיה, שהראה בפעם הראשונה כי הלחץ המורגש על צלוחית הכספית שקול למשקל האטמוספירה ליחידת שטח.
בזכות הקשר זה, ומתוך ידיעת שטח מעטפת כדור הארץ, פסקל חישב את המסה הכוללת של האטמוספירה. החישוב של פסקל שגוי בכ-30 אחוזים, אך מדהים לחשוב שבעזרת חתיכת זכוכית וכספית נוזלית ניתן לחשב את המסה של שכבת האוויר המקיפה את כדור הארץ. פסקל בעצמו אמר כי "ילד שיודע חיבור וחיסור יכול לעשות זאת". עובדה לא פחות מדהימה היא שהברומטר הסטנדרטי המבוסס על כספית כמעט ולא השתנה במשך 300 שנה. רק ב-1977 ארצות הברית החליפה את המכשיר הסטנדרטי, שכייל את כל הברומטרים, בגביש רגיש ללחצים.
הניסוי של טוריצ'לי מימש את הרעיון הפילוסופי, הנחשב כמעט כמדע בדיוני, באמצעים פשוטים. בזכות התגלית, הוואקום הוכר כתופעה שגרתית וצוטט בכל ספרי המדע הרלוונטיים. לאחר שפיתח את הברומטר, טוריצ'לי התמקד במגוון בעיות נוספות בפיזיקה ומתמטיקה. הבולט ביניהן, הידוע בתור חוק טוריצ'לי, מתמקד בדליפת נוזלים מפתחים קטנים.
בצער רב, פעילותו של טוריצ'לי נגדעה מהר. בשנת 1647, בגיל 39 בלבד, אחרי שנדבק בטיפוס, טוריצ'לי נפטר בפירנצה. יחד עם זאת, הסקרנות המדעית לגבי טבעו של הוואקום המשיכה גם אחריו ובמאה העשרים הפיזיקאים העניקו לו משמעות חדשה. כשפיזיקאים מציינים את הוואקום בהקשרים מודרניים, הם לא מתכוונים למקום בו אין דבר, אלא למרחב המלא בשדות קוונטים, השוצף בחלקיקים וירטואליים שנוצרים ונעלמים בכל רגע.
שאלות ותשובות
מה גילה טוריצ'לי בניסוי הכספית?
טוריצ'לי מילא צינור זכוכית בכספית והציב אותו על צלוחית, והכספית התקבעה בגובה של 76 סנטימטרים. הוא הסיק שהלחץ האטמוספירי מעלה את הכספית ושהחלל שנותר בצינור הוא וואקום.
איזו בעיה ניסה טוריצ'לי לפתור?
חופרי בארות בטוסקנה לא הצליחו לרומם מים בעזרת משאבות לגובה של יותר מעשרה מטרים. הבעיה העסיקה את גלילאו עד מותו, וטוריצ'לי המשיך לחקור אותה.
איך הניסוי שימש את פסקל?
פסקל הבין שהניסוי מאפשר למדוד את הלחץ האטמוספירי, ושחזר אותו בגבהים שונים. הלחץ שנמדד על ההר היה קטן יותר מאשר בקרקע, ומכאן חישב פסקל את המסה הכוללת של האטמוספירה.
מה פירוש המושג וואקום בפיזיקה המודרנית?
פיזיקאים אינם מתכוונים היום למקום שבו אין דבר, אלא למרחב המלא בשדות קוונטים ובחלקיקים וירטואליים שנוצרים ונעלמים בכל רגע.
המקור לטקסט מתוך הפינה ההיסטורית של האגודה האמריקנית לפיזיקה.