Глава 1

Глава 1. Предыстория вакуумной техники (до 1650 г.)

1. Понятие пустого пространства в античную эпоху

Представление о пустоте, или вакууме, встречается в трудах древнегреческих натурфилософов. Согласно философской системе, созданной Левкиппом (ок. 500 г. до н.э.) и Демокритом (ок. 460-370 гг. до н.э.), вселенная состоит из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайших частиц - атомов. "Начала - атомы и пустота, все же остальное существует лишь в мнении..."[1].

Атомы, по Демокриту, - качественно однородные и неизменяемые частицы, различающиеся по форме и размерам. Они "носятся в бесконечном пустом пространстве, в котором вовсе нет ни верха, ни низа, ни середины, ни конца, ни края" [2]. Соединения атомов приводят к образованию всего, что есть в сущем мире. Живое отличается от неживого наличием души, которая состоит из сферических подвижных атомов.

Атомистическую теорию продолжал развивать Эпикур (341-270 гг. до н.э.). В философской поэме Лукреция (ок. 99-55 гг. до н.э.) "О природе вещей", излагающей основные положения учения Эпикура, движение атомов в пустоте сравнивается с "метанием" пылинок, видимых в лучах солнечного света:

С.И. Вавилов, хорошо знавший поэму Лукреция, назвал приведенные выше строки "вполне правильным эскизом теории броуновского движения".

В натурфилософских построениях Эпикура пустоте отводится важное место. У Лукреция об этом говорится так:

Умозрительный характер рассуждений не мешал древним атомистам приходить в ряде случаев к точным физическим выводам. У Лукреция можно найти, например, утверждение, что разница в тяжести при свободном падении тел имеет значение лишь в материальной среде. В пустоте же все тела должны падать с одинаковой скоростью:

Вместе с тем пустота у натурфилософов являлась предметом мысли, а не ощущения. Приняв гипотезу существования неизменных, неделимых и непроницаемых атомов, сторонники Левкиппа и Демокрита должны были допустить существование пустоты. Иначе трудно было объяснить движение тел в сплошь заполненном пространстве, разрежение и уплотнение тел и т.п. Наличие пустых промежутков позволяло представить распространение различных излучений ("истечений") - тепловых, световых, магнитных и т.п.

Другая философская концепция - отрицания существования пустоты - обычно связывается с именем Аристотеля (384-322 гг. до н. э.). Однако, представления, связанные со сплошной материей и невозможностью пустоты, можно встретить и у философов более ранней ионийской школы. Согласно Эмпедоклу (ок. 490 - 430 гг. до н. э.) "корни" всего сущего не допускают пустого пространства:

Вакуум противоречил физической картине мира, разработанной Аристотелем. Пространство определялось великим мыслителем как граница окружающего тела относительно окружаемого, поэтому "пустое пространство было бы абсурдом, так как здесь "окружающее" ничего не окружает" [7]. Кроме того, одним из основных элементов аристотелевской физики являлись качества предметов, воспринимаемые нами через ощущения, - белое, чёрное, холодное и т.п. Пустота по существу не являлась носителем чувственно воспринимаемых качеств и не могла быть объектом физической реальности.

Одним из главных доводов атомистов в пользу существования пустоты было то, что без пустоты невозможно движение. Выпущенная из лука стрела летит вперёд; следовательно, впереди стрелы существует пустота. Аристотель, однако, нашёл контраргументы, укладывающиеся в рамки его континуальной концепции. "Воздух расходится перед стрелой и сходится за ней", поэтому вакуум для движения не требуется. Чтобы доказать, что любые перемещения тел возможны без существования пустоты, Аристотель использовал понятие "антиперистасиса", обстоятельно изложенное в платоновском "Тимее". "Антиперистасис" - своего рода круговорот взаимосвязанных перемещений объектов, при котором тела как бы вытесняют друг друга, занимая освободившееся место. Общее пространство, занимаемое движущимися объектами, не меняется, что обусловлено тем, что природа не допускает вакуума.

В диалоге "Тимей" возможность такого движения демонстрируется на примере человеческого дыхания: "Так как нет пустоты, в которую могло бы проникать что-либо движущееся, а дыхание движется у нас наружу, то ясно всякому, что оно выходит не в пустоту, а оттесняет с места то, что находится рядом; оттесняемое же гонит в свою очередь соседнее, и в силу такой необходимости всё увлекается вихреобразно в то самое место, откуда дыхание вышло, проникает туда и наполняет это место и опять следует за дыханием. И происходит это наподобие вращаемого колеса, оттого что нигде нет пустоты" [8].

Фактом, требовавшим дополнительной трактовки со стороны приверженцев континуальной концепции, являлось сжатие и расширение тел. Атомисты объясняли это свойство наличием пустых промежутков между частицами. Аристотель отвергал такое объяснение, постулировав способность одного и того же количества материи занимать разный объём.

Философский спор, порожденный учениями Демокрита и Аристотеля, продолжался в течение двух тысячелетий. В умозрительных рассуждениях философов вакуум выступал как "абсолютная пустота". Открытие воздуха, изучение его свойств имело место позднее, с приходом новейшей физики. Тем не менее, уже в античные времена, особенно в эллинский период, создавались различные технические устройства, использующие свойства, проявляемые воздухом при разрежении.

Так, водяные насосы, действие которых основано на создании разрежения под поршнем, были известны уже во времена Аристотеля [9]. До нас дошел рисунок пожарного насоса, изобретенного александрийским ученым Ктесибием (около 150 г. до н. э.). Водяной насос был по существу прообразом вакуумного поршневого насоса, появившегося спустя почти два тысячелетия.

Современник и ученик Ктесибия Герон Александрийский описал в трактате о пневматике разнообразные устройства, для успешной работы которых требовалось достаточно высокое качество изготовления [10]. Изображенный на рис. 2 инструмент, применявшийся в медицинских целях ("шприц для вытягивания гноя") является вакуумным устройством. Его действие основано на создании разрежения воздуха под поршнем, что, в свою очередь, требует тщательной подгонки поршня и цилиндра при изготовлении.

Одна из глав трактата Герона посвящена "теории вакуума". Поддерживая атомистическую теорию, Герон полагал, что пустота существует в промежутках между атомами, "подобно тому, как воздух находится между частицами песка на морском берегу" [11]. Благодаря мелким пустотам, сквозь воздух, воду и другие предметы проникают свет, тепло и другие "телесные силы". При смешивании вина и воды можно наблюдать как частицы одной жидкости проникают в пустоты, имеющиеся в другой жидкости. В то же время, накопление больших количеств пустоты Герон считал невозможным. В подтверждение он приводил пример с узкогорлым сосудом, при переворачивании которого вода не выливается. Объяснение данному факту Герон, подобно перипатетикам, видел в том, что "природа не терпит пустоты" (Natura abhorret vacuum).

Идея существования пустоты двух видов встречается в трудах учёных на протяжении многих веков. Ещё Стратон (ок. 270 г. до н.э.) подчёркивал различие пустоты "сплошной" и "рассеянной" [12]. Позже эти два вида пустоты стали называть vacuum coacervatum и vacuum disseminatum.

Описание разнообразных технических устройств, приведенное в трактате Герона, приводит к мысли, что уже эллинская техника располагала средствами, достаточными для создания воздушного насоса. И, казалось бы, шаг от водяного к вакуумному насосу, осуществленный Герике в ХVII веке, мог быть сделан значительно раньше. Тем не менее, для того, чтобы прийти к осознанию возможности этого шага, потребовались почти два тысячелетия.

В средневековый период в Европе основой мировоззрения становится христианская религия. Христианство выступает как философско-религиозная система, хотя и воспринявшая в определенной степени античное наследие, но основанная на заново сформировавшейся идеологии.

Вопрос о возможности существования пустоты оказывается в сфере догматически - концептуальных обоснований христианской культуры. На смену умозрительным рассуждениям античных философов приходят доводы религиозно-мистического характера. Уже в период раннего христианства особая роль отводится окружающему воздуху, его значению для всего живого.

"Жить значит дышать, - писал Тертуллиан (ок. 160-после 220), - и дышать значит жить" [13]. Дальнейшее развитие эта идея находит в трудах Августина (354-430): "Жизнь зверей есть жизненный дух, состоящий из воздуха и крови, животный, невидимый, но подлежащий чувству, имеющий память, но лишенный понимания, умирающий вместе с телом, рассеивающийся в воздух" [14].

Незримая и неосязаемая "сфера паров" представлялась как бы переходом от телесного к невещественному, сверхчувственному. На многие века понятие духовного оказалось связанным с воздушным, а воздушного - с духовным.

Понятие пустоты в связи с этим плохо укладывалась в картину мира. Сама мысль о том, что может существовать "пространство, которое не есть ни бог ни творение, ни тело ни дух, ни субстанция ни акциденция" (Ноэль [15]), уже казалась еретической.

Демокрит и Лукреций, так же как Эпикур, становятся своего рода идеологическими противниками. Их учения априорно связываются с отрицанием веры, сластолюбием, безумными идеями. И если ярлык, полученный Эпикуром, был связан с его учениями о канонике и этике - "неверующий в бессмертие", "свинья, валяющаяся в плотской грязи" (Исидор Севильский [16]), формирование отношения к Демокриту и Лукрецию было более сложным. Образ мельчайших частиц, движущихся в пустоте, прошёл через многие века, в разные периоды к нему обращаются и средневековые мыслители. Тот же Исидор Севильский (ок. 570-636) в своих "Началах" обстоятельно рассматривает основные понятия античного учения об атомах. "Они, как говорят, порхают по пустоте мира в не знающих покоя движениях и носятся туда и сюда, подобно тем тончайшим пылинкам, которые видны в лучах солнца, льющихся через окна. Из них, как полагали некоторые языческие философы, возникают деревья и травы, и всё сущее" [17].

Образ Демокрита пострадал в средние века, по мнению историков, в большей степени из-за распространения псевдодемокритовской литературы. Основателя учения об атомах и пустоте стали характеризовать как мага и даже "отца алхимиков", хотя атомистическая теория по существу не нашла отражения в алхимических книгах [18].

Интерес к натурфилософской проблематике повысился с появлением Шартрской школы - крупнейшего интеллектуального центра Европы зрелого средневековья. Представитель этой школы Гильом Коншский (ок.1080-1154) увлёкся идеями античной атомистики. Однако в основе его комментариев к учению об атомах и пустоте лежала мистика платоновско-августиновской религиозности: "Нет столь ложной школы, которая не имела бы некоторой примеси истины, хотя эта истина и затемняется примесью чего-нибудь ложного. И в самом деле, говоря, что мир состоит из атомов, эпикурейцы говорили правду, однако их слова, что эти атомы безначальны и что, разделённые, они порхали по великой пустоте и что затем они объединились в четыре великих тела, - басня, ибо ничто, кроме бога, не может быть безначальным и не имеющим своего места" [19].

Подвергнув атомистику Демокрита критическому анализу, Гильом создаёт собственную корпускулярную теорию. Частицы материи в его рассуждениях сохраняют свойство неделимости, но при этом приобретают качества теплоты, холода, сухости, влажности. Возможность существования пустого пространства Гильомом полностью отрицалась.

Нарастание интереса в Европе к греко - римскому наследию стало особенно заметным в XII в. На латинский язык с арабского и греческого начинают переводиться сочинения Аристотеля, а также Евклида, Птолемея и других античных учёных. Философ и теолог Фома Аквинский (ок. 1225 - 1274) использовал переводы Аристотеля для приближения его учения к христианскому откровению и систематизации схоластики. По мнению Дж. Бернала, у средневековых мыслителей, ярким представителем которых являлся Фома Аквинский, "вера всегда выше разума в том смысле, что есть вещи, которые один только разум никогда не мог бы постигнуть; но равным образом откровение и разум никогда не могут быть в конфликте. Поскольку ответы известны заранее, споры святых часто имеют вид специальной аргументации. Тем не менее, они никогда не подвергались улучшениям и по сей день составляют основу католического учения" [20].

В духе вышесказанного Парижский университет, являвшийся в XII-XIII веках центром схоластики, подошел к христианизации аристотелевского положения "Природа не терпит пустоты". В 1277 г. богословы Сорбонны, возглавляемые епископом Парижа Э.Тампье, пришли к заключению, что отрицание всякой возможности существования вакуума "ограничило бы всемогущество божие" [21]. Специальным постановлением пустота была отнесена к категории causus divini, то-есть, явлений, не существующих в природе, но возможных для Бога.

Согласно статусу Парижского университета, студенты давали клятву строго следовать догмам в вопросах, затрагивающих откровения. С таких позиций следовало подходить и к вопросу о возможности существования вакуума. Любопытное свидетельство этого встречается в романе Сирано де Бержерака "Иной свет или государства и империи Луны". Герой этого романа говорит: "У меня на родине меня хотели посадить в тюрьму инквизиции за то, что я утверждал в лицо педантам, что существует пустота..." [22].

Схоластика в вопросах о возможности существования пустоты господствовала до конца эпохи Возрождения. "Всякое пустое пространство Бог наполняет своей сущностью, устраняя всякое ничто", - это высказывание принадлежит А. Кирхеру, современнику Торричелли и Герике [23].