عندما تم اكتشاف الفراغ لأول مرة

في إيطاليا، في زمن غاليليو، عاش عالم مهم آخر - توريتشيلي، الذي كشف للعالم كيف يعمل الفراغ. عصر النهضة بكل مجدها.

ولد الفيزيائي الإيطالي إيفانجليستا توريسيلي في روما لعائلة متواضعة وفقيرة. ورغم أن الحظ لم يكن في صالحه، إلا أن عمله الجاد أتى بثماره. تمكن من الوصول إلى قمة الأكاديمية الإيطالية وعمل مع العالم الكبير في ذلك الوقت جاليليو جاليلي. فضوله قاد بلاده، ومن ثم العالم أجمع، نحو حل لغز عمره أكثر من ألفي عام – ما طبيعة الفراغ؟ اعتمدت طريقة توريسيلي في حل المشكلة على تجربة بسيطة تحتوي على دورق وأنبوب زجاجي وزئبق.

قضى عالم الفيزياء الإيطالي إيفانجيليستا توريسيلي طفولته في بانزا، وهي بلدة صغيرة في إيطاليا تشتهر بإنتاج المايوليكا، والفخار المزجج. أمضى شبابه مع والدته التي كانت معدومة، لكن الصعوبات المالية لم تمنع توريتشيلي من صعود السلم الأكاديمي والتعاون مع غاليليو في فلورنسا. خلال هذه الفترة، كرس جاليليو وقته لإيجاد حل لمشكلة حفار الآبار في توسكانا. وأصيب حفار الآبار بالإحباط لأنهم لم يتمكنوا من رفع المياه إلى ارتفاع أكثر من عشرة أمتار باستخدام المضخات. وعندما حاولوا دفع المياه إلى أعلى، انسكبت من أنابيب المضخة. شغلت المشكلة غاليليو حتى يومه الأخير وبقيت بالنسبة له دون حل.

في عام 1644، بعد عامين من وفاة جاليليو، قرر توريتشيلي التحقيق في مشكلة إعادة الضخ والبدء من حيث توقف جاليليو. ولإعادة إنتاج النظام في ظروف معملية، قام بنفخ أنبوب زجاجي طوله متر ومحكم الغلق من أحد طرفيه. ملأ الأنبوب بالزئبق ووضعه في وضع مستقيم على طبق. قد يبدو النظام التجريبي بسيطًا، لكن تحضير الزجاج كان بمثابة كنز ثمين للعلماء منذ القرن السابع عشر. وكانت النظارات هشة وحساسة ونادرة نسبيا وتم تدميرها بعد ملئها بكيلوجرام من الزئبق. وبعد عدة محاولات، وبمساعدة مساعده الماهر، نجح توريتشيلي في بناء النظام التجريبي. لاحظ العالم الشاب أن الزئبق الموجود في الأنبوب الزجاجي استقر على ارتفاع 17 سم. واختتم التجربة بالقول إن الضغط الجوي المطبق على الزئبق الموضوع فوق الصحن يرفع السائل المعدني إلى ارتفاع وأن المساحة المتبقية في الأنبوب الزجاجي هي فراغ. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إنشاء فراغ في المختبر أو على الأقل التعرف عليه على هذا النحو.     

لقد تمت مناقشة مفهوم الفراغ في زمن أفلاطون وأرسطو اللذين زعما أن الفراغ ضد الطبيعة وغير موجود. في أوروبا في العصور الوسطى، كان يعتقد أن الفراغ هو هرطقة وخطيرة. تم ذكر الكلمة نفسها لأول مرة من قبل توماس كرانمر، رئيس أساقفة كانتربري، في قاموس إنجليزي عام 1550 كمفهوم لاهوتي وفراغ بلا جوهر. تم قبول هذا الرأي في ذلك الوقت، ولكن مع اعتلاء الملكة ماري الكاثوليكية العرش عام 1553، تغيرت معنويات العقيدة. في عام 1555، أدين كرنمر بالهرطقة، وفي العام التالي أُحرق على المحك.

من هذا يتضح أن الإنجاز الأولي لتوريسيلي كان فصل الفراغ عن الروابط الميتافيزيقية وربطه بالعالم الحقيقي. وبطبيعة الحال، كان العالم الإيطالي يعرف مع من يتعامل، بالتأكيد في ظل التجربة المريرة لمعلمه الشهير، ولذلك قرر إبقاء نتائج التجربة بعيدا عن أعين الجمهور. تغير هذا القرار في أكتوبر 1644، عندما زار العالم الفرنسي مارسين توريسيلي لإعادة إنتاج تجربة الزئبق. وشارك مارسان نتائج التجربة مع باسكال وزملائه في فرنسا، وبذلك كشف الفراغ ليراه الجميع.

الفراغ وعلم المناخ

كان باسكال عالمًا موهوبًا وسرعان ما أدرك تأثير التجربة على علم المناخ. وأعاد هو نفسه التجربة عام 1646 لقياس الضغط الجوي على ارتفاعات مختلفة. تم رفع جهاز الزئبق مع أصدقائه وزملائه على جبل في جنوب فرنسا، وكما توقعوا، كان الضغط المقاس أصغر مقارنة بالأرض. وكانت هذه هي الطلقة الافتتاحية لعلم الأرصاد الجوية الذي أظهر لأول مرة أن الضغط المحسوس على صفيحة الزئبق يساوي وزن الغلاف الجوي لكل وحدة مساحة. وبفضل هذا الارتباط، ومن معرفة مساحة عباءة الأرض، قام باسكال بحساب الكتلة الإجمالية للغلاف الجوي. حسابات باسكال خاطئة بحوالي 30 بالمائة، لكن من المدهش الاعتقاد أنه بمساعدة قطعة من الزجاج والزئبق السائل يمكنك حساب كتلة طبقة الهواء التي تحيط بالأرض. وقال باسكال نفسه إن "الطفل الذي يعرف الجمع والطرح يمكنه أن يفعل ذلك". والحقيقة المذهلة أيضًا هي أن مقياس البارومتر القياسي المعتمد على الزئبق لم يتغير كثيرًا منذ 300 عام. لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1977 عندما استبدلت الولايات المتحدة الجهاز القياسي، الذي يقوم بمعايرة جميع أجهزة القياس، ببلورة حساسة للضغط.

لقد حققت تجربة توريتشيلي الفكرة الفلسفية، التي تعتبر تقريبًا بمثابة خيال علمي، بوسائل بسيطة. وبفضل هذا الاكتشاف، تم التعرف على الفراغ كظاهرة روتينية وتم الاستشهاد به في جميع الكتب العلمية ذات الصلة. بعد تطوير البارومتر، ركز توريسيلي على مجموعة متنوعة من المسائل الأخرى في الفيزياء والرياضيات. وأبرزها، المعروف باسم قانون توريتشيلي، يركز على تسرب السوائل من الفتحات الصغيرة. ومن المؤسف أن نشاط توريسيلي توقف بسرعة. في عام 1647، عن عمر يناهز 39 عامًا فقط، بعد إصابته بالتيفوس، توفي توريتشيلي في فلورنسا. وفي الوقت نفسه، استمر الفضول العلمي حول طبيعة الفراغ حتى بعده، وفي القرن العشرين أعطى علماء الفيزياء له معنى جديدا. عندما يشير الفيزيائيون إلى الفراغ في السياقات الحديثة، فإنهم لا يقصدون مكانًا لا يوجد فيه شيء، بل مساحة مليئة بالحقول الكمومية المغمورة بالجسيمات الافتراضية التي تنشأ وتختفي في كل لحظة.

הمصدر للنص من ركن التاريخ للجمعية الفيزيائية الأمريكية.