The history of the barometer (and how it works) - Asaf Bar-Yosef

Aristotle có câu nói nổi tiếng rằng,
"Thiên nhiên luôn sợ hãi trước chân không"

ông tuyên bố rằng chân không,
một không gian trống rỗng của vật chất, không thể tồn tại

bởi vì các vật chất xung quanh
ngay lập tức sẽ lấp đầy nó.

May mắn thay, những gì ông ấy khẳng định là sai .

Chân không là một phần quan trọng của áp kế,

đây là thiết bị dùng để đó áp suất khí quyển.

Bởi vì áp suất khí quyển tương quan với nhiệt độ

và thay đổi nhanh chóng nên là nguyên nhân chính hình thành nên

các cơn bão, lốc xoáy và những hiện tượng tự nhiên gây thiên tai khác,

Áp kế là một trong những dụng cụ vô cùng thiết yếu

cho việc dự báo thời tiết cũng như các mục đích khoa học khác.

Ai đã phát minh ra áp kế và nó hoạt động như thế nào?

Phải mất khá lâu để phát minh ra nó đấy.

Vì lý thuyết của Aristotle và những triết gia khác về việc chân không

không thể tồn tại thoạt nhìn có vẻ là đúng đối với cuộc sống hàng ngày của chúng ta,

gần 2000 trời không một câu hỏi nghi ngờ nào được đặt ra,

cho đến khi vấn đề nảy sinh.

Vào đầu thế kỉ 17, nhiều thợ mỏ ở Ý phải đối mặt với một vấn đề nghiêm trọng

khi họ thấy rằng các máy bơm của họ không thể bơm nước

lên độ cao hơn 10,3 mét.

Một vài nhà khoa học thời bấy giờ, có cả Galileo Galilei,

đề xuất rằng nên hút không khí ra khỏi ống để có thể
đẩy cho nước dâng lên và thay thế khoảng trống trong ống.

Nhưng mà lực của nó bị hạn chế và không thể bơm nước lên độ cao quá 10,3 mét.

Tuy nhiên, ý tưởng về việc có sự tồn tại của chân không

vẫn còn là một vấn đề mang tính tranh cãi.

Gây hứng thú bởi lý thuyết không chính thống của Galileo,

Gasparo Berti đã làm một thí nghiệm đơn giản nhưng vô cùng thông minh

để chứng minh rằng môi trường chân không là có thật.

Một ống nước dài được chứa đầy nước

và được đặt vào một trong bể nước cạn với hai đầu bị kín.

Phần đầu dưới của ống sau đó được tháo ra

để nước trong ống tràn vào bể nước

cho đến khi mực nước trong ống dừng lại ở mức 10,3 mét.

Với phần rỗng ở phía đầu ống và chưa có không khí lọt vào ống,

Berti đã thành công trong việc trực tiếp tạo ra một môi trường chân không ổn định.

Nhưng dù khả năng
tồn tại của chân không đã được chứng minh,

không phải ai cũng hài lòng
với ý tưởng của Galileo

rằng khoảng trống rỗng này
đã tạo ra

một lực hữu hạn bí ẩn trên mặt nước.

Evangelista Torricelli ,
Học trò của Galileo và một người bạn nữa,

quyết định xem lại vấn đề
này từ một góc độ khác.

Thay vì tập trung vào phần rỗng
bên trong ống nước,

Ông tự hỏi,
"Điều gì khác có thể tác động đến nước đây? "

Bởi vì thứ duy nhất tiếp xúc
với nước là không khí xung quanh hồ bơi,

ông tin rằng áp lực không khí có thể là nguyên nhân duy nhất ngăn cản

khiến cho mực nước trong ống xuống thấp hơn.

Ông ấy cũng nhận ra rằng thí nghiệm
này không chỉ là một cách để tạo ra chân không,

nhưng nó còn hoạt động như một sự cân bằng

giữa áp suất khí quyển
trên mặt nước ở bên ngoài ống

và áp suất từ cột nước bên trong ống

Mực nước trong ống giảm
cho đến khi hai áp suất được cân bằng,

mà điều này chỉ xảy ra được
khi mực nước là 10,3 mét .

Ý tưởng này đã không được chấp thuận dễ dàng,

vì Galileo và những nhà khoa học khác
đã luôn nghĩ rằng

không khí trong khí quyển không có trọng lượng
và không tạo ra bất cứ áp lực nào.

Torricelli quyết định
lặp lại thí nghiệm của Berti

dùng thủy ngân thay vì nước.

Vì thủy ngân đặc hơn nước,
nó rơi xa hơn so với nước

và cột thủy ngân này chỉ dài khoảng 76 cm.

Điều này không chỉ cho phép Torricelli làm thí nghiệm với dụng cụ nhỏ gọn hơn,

nó củng cố ý tưởng của ông ấy rằng trọng lượng
là yếu tố quyết định.

Một biến thể của thí nghiệm được sử dụng hai ống, trong đó
một ống có bong bóng lớn ở đầu ống.

Nếu giải thích của Galileo là chính xác ,
môi trường chân không lớn hơn ở trong ống thứ hai

nên đã gây lực hút lớn hơn
và đẩy thủy ngân lên cao hơn.

Nhưng mực thủy ngân trong hai ống là như nhau.

Và cuối cùng, lý thuyết của Torricelli được ủng hộ thông qua Blaise Pascal

người đã từng đưa một ống thủy ngân như vậy lên núi

và chứng minh rằng mực thủy ngân đã giảm

giống như áp suất khí quyển giảm dần khi lên cao.

Thủy ngân kế dựa trên
mô hình ban đầu của Torricelli

là một trong những cách phổ biến nhất
để đo áp suất khí quyển cho đến tận năm 2007

khi việc sử dụng thủy ngân bị cấm do độc tính của nó

dẫn đến thủy ngân không còn
được sản xuất tại Châu Âu.

Mặc dù vậy, phát minh của Torricelli

là phát minh đi ngược lại những điều mà từ lâu mọi nhà khoa học mặc nhiên cho là đúng

về chân không và trọng lực của không khí.

Đây là ví dụ điển hình của việc suy nghĩ một cách sáng tạo

có thể mang lại sự khác biệt vô cùng lớn.