Отто фон Герике: Ученый, изобретатель и политик XVII века

Введение

Немецкий ученый, изобретатель и политик XVII века Отто фон Герике (произношение: /ˈɡɛərɪkə/ или /ˈɡ(w)ɛərɪkə/; до 1666 года писал своё имя как Герике; 30 ноября 1602 [ст. ст. 20 ноября 1602] – 21 мая 1686 [ст. ст. 11 мая 1686]) был немецким ученым, изобретателем, математиком и физиком. Его новаторские научные работы, разработка экспериментальных методов и воспроизводимых демонстраций в области физики вакуума, атмосферного давления, электростатического отталкивания, а также его отстаивание реальности "действия на расстоянии" и концепции "абсолютного пространства" стали значительным вкладом в развитие научной революции. Фон Герике был глубоко религиозным человеком, придерживающимся дионисианских традиций, и считал вакуум космоса творением и замыслом бесконечного божества. Он описывал эту двойственность как "нечто, что 'содержит все сущее' и 'драгоценнее золота, без начала и конца, более радостное, чем ощущение изобильного света', и 'сопоставимое с небесами'".

Ранние годы и образование

Отто фон Геррике родился в семье магдебургского патрициата. Его обучали частные репетиторы до пятнадцати лет. В 1617 году он начал изучать право и философию в Лейпцигском университете.

Политическая карьера

Фон Герике происходил из одной из ведущих патрицианских семей Магдебурга, отличавшейся хорошим образованием и широкими связями. Его отец и дед на протяжении всей жизни были членами городского совета и неоднократно назначались на должность мэра города. В 1626 году Отто фон Герике начал карьеру политического представителя Магдебурга и принял официальное назначение в городской совет. Однако в 1618 году разразилась Тридцатилетняя война. Этот исключительно долгий, трагический и разрушительный конфликт вскоре обрушился и на Магдебург. Спустя всего несколько лет ему, к счастью, удалось покинуть город до того, как армия имперской Католической лиги во главе с графом Тилли полностью окружила и отрезала Магдебург. Атака завершилась самым страшным событием всей войны – разграблением Магдебурга. В мае 1631 года имперские войска проломили городские стены и начали беспощадное разграбление. Погибло около восьмидесяти процентов из более чем 25 000 жителей города. Материальный ущерб также был колоссальным: широко распространившиеся пожары уничтожили около 1700 из 1900 зданий, включая всё личное имущество фон Герике. В 1631 году он вернулся в Магдебург, и его инженерное образование позволило ему войти в состав комитета по восстановлению города.

Дипломатические занятия

Первая дипломатическая миссия Отто фон Герике от имени города привела его в сентябре 1642 года ко двору курфюрста Саксонии в Дрездене. Мандат фон Герике заключался в том, чтобы добиться более снисходительного отношения со стороны саксонского военного командования к Магдебургу. В 1648 году он представлял город на мирной делегации, завершившей Тридцатилетнюю войну. Во время дипломатической миссии в Регенсбург в 1654 году Герике продемонстрировал свое изобретение – воздушный насос, чтобы произвести впечатление на тех, с кем предстояло встретиться, повлиять на ход переговоров в свою пользу и продвинуть свои научные достижения. Дипломатические поручения, часто опасные и утомительные, занимали большую часть его времени в течение следующих двадцати лет. Его личная жизнь, о которой многое остается неясным, развивалась параллельно. Отто фон Герике использовал как свой официальный статус, так и свои научные знания для взаимной поддержки, чтобы служить политическим интересам своего города. Демонстрации его изобретений, таких как воздушный насос и электростатический генератор, предназначались для того, чтобы впечатлить аудиторию и улучшить и расширить политическую коммуникацию. При необходимости он отказывался от научных и технических подробностей о работе своих устройств, позволяя людям верить в его волшебство – качество, которое было весьма полезно для продвижения влиятельного лидера. Эта работа привлекла внимание Роберта Бойля, который, вдохновленный ею, начал собственные эксперименты с давлением воздуха и вакуумом и в 1660 году опубликовал «Новые физико-механические опыты о упругости воздуха и его действиях». В следующем году книга была переведена на латынь, и, узнав о ней из переписки с Ф. Шоттом, фон Герике приобрел экземпляр. В предисловии к читателю он утверждает, что закончил книгу 14 марта 1663 года, однако публикация была отложена еще на девять лет, до 1672 года. В 1664 году его работа вновь вышла в свет, опять же благодаря содействию Гаспара Шотта, первый раздел книги «Technica Curiosa» под названием «Mirabilia Magdeburgica» был посвящен трудам фон Герике. Самое раннее упоминание знаменитого эксперимента с магдебургскими полушариями содержится на странице 39 «Technica Curiosa», где Шотт отмечает, что фон Герике упомянул их в письме от 22 июля 1656 года. Шотт продолжает цитировать последующее письмо фон Герике от 4 августа 1657 года, в котором он сообщает, что теперь провел эксперимент, понесший значительные расходы, с использованием 12 лошадей. 1660-е годы ознаменовали окончательный крах надежд граждан Магдебурга на получение статуса свободного имперского города – цели, которой фон Герике посвятил около двадцати лет дипломатических усилий. От имени Магдебурга он был первым подписавшим Клостербергский договор в 1666 году, согласно которому Магдебург принял гарнизон бранденбургских войск (после вывода имперского гарнизона) и обязательство выплачивать дань Великому курфюрсту Фридриху Вильгельму I Бранденбургскому. Несмотря на то, что курфюрст подавил политические устремления Магдебурга, личные отношения фон Герике и Фридриха Вильгельма оставались теплыми. Великий курфюрст был покровителем науки. Он нанял сына фон Герике, Ганса Отто, в качестве своего резидента в Гамбурге, а в 1666 году пригласил самого Отто в Бранденбургский совет. Когда наконец вышла в свет «Experimenta Nova», она была предварена посвящением Фридриху Вильгельму.

Otto von Guericke's first diplomatic mission on behalf of the city led him in September 1642 to the court of the Elector of Saxony at Dresden. Von Guericke's mandate was to bring about a more lenient treatment from the Saxon military commander for Magdeburg. In 1648, he represented the city at the peace treaty delegation, that ended the Thirty Year's War. During a 1654 diplomatic mission to Regensburg, Guericke presented his invention of the air pump to impress those he was going to meet and help sway the talks in his favour, as well as promote his own scientific achievements. Diplomacy assignments, often dangerous as well as tedious, would occupy much of his time for the next twenty years. His private life, of which much remains unclear, was developing in parallel. Otto von Guericke utilised both his official status and his scientific knowledge in each other's support to serve his city's political agenda. Demonstrations of his inventions, such as the air pump and the electrostatic generator were meant to impress his audiences and improve and extend political communication. He would, if necessary forgo scientific and technical elaborations on how his showpieces worked, leaving people to believe in his wizardry, a characteristic that was of great use for the promotion of a great leader. This book came to the attention of Robert Boyle who, stimulated by it, embarked on his own experiments on air pressure and the vacuum, and in 1660 published New Experiments Physico Mechanical touching the Spring of Air and its Effects. The following year this was translated into Latin and, made aware of it in correspondence with Fr. Schott, von Guericke acquired a copy. In the Preface to the Reader he claims to have finished the book on March 14, 1663, though publication was delayed for another nine years until 1672. In 1664, his work again appeared in print, again through the good offices of Gaspar Schott, the first section of whose book Technica Curiosa, titled Mirabilia Magdeburgica, was dedicated to von Guericke's work. The earliest reference to the celebrated Magdeburg hemispheres experiment is on page 39 of the Technica Curiosa, where Schott notes that von Guericke had mentioned them in a letter of July 22, 1656. Schott goes on to quote a subsequent letter of von Guericke of August 4, 1657, in which he states that he now had carried out the experiment, at considerable cost, with 12 horses. The 1660s marked the ultimate end for the Magdeburg citizen's hope of achieving Free Imperial City status, a goal to which von Guericke had devoted some twenty years of diplomatic effort. On behalf of Magdeburg, he was the first signatory to the Treaty of Klosterberg in 1666 whereby Magdeburg accepted a garrison of Brandenburg troops (upon the withdrawal of the imperial garrison) and the obligation to pay dues to the Great Elector, Friedrich Wilhelm I of Brandenburg. Despite the Elector's crushing of Magdeburg's political aspirations, the personal relationship of von Guericke and Friedrich Wilhelm remained warm. The Great Elector was a patron of scientific scholarship. He had employed von Guericke's son, Hans Otto, as his resident in Hamburg and in 1666 had called Otto himself to the Brandenburg Rat. When the Experimenta Nova finally appeared it was prefaced with a dedication to Friedrich Wilhelm.

Поздние годы

В 1677 году фон Герике неохотно был освобожден от гражданских обязанностей после неоднократных просьб. В январе 1681 года, в качестве предосторожности против угрожавшей Магдебургу вспышки чумы, он и его вторая жена Доротея переехали в Гамбург, где жил их сын Ханс Отто. Там фон Герике скончался 11 мая 1686 года по юлианскому календарю, ровно через 55 лет после бегства из осажденного города в 1631 году. Его тело было возвращено в Магдебург для погребения в церкви Святого Ульриха и Левина 23 мая по юлианскому календарю. Магдебургский университет Отто фон Герике был назван в его честь.

Основные публикации

Существует три текстовых корпуса, содержащих систематические трактаты о научных работах фон Геррике. 1. Работа Фрайра Гаспара Шотта «Mechanica Hydraulico pneumatica» (1657), первоначально задуманная как краткий путеводитель по гидравлическим и пневматическим инструментам в римском музее Афанасия Кирхера, содержит в приложении, добавленном Шоттом, подробное описание экспериментов Геррике с вакуумом. 2. «Technica Curiosa» (1664) Фрайра Гаспара Шотта, с приложением, содержащим переиздание отчета 1657 года и более новые материалы от Геррике.

Природа пространства и возможность пустоты

Книга II "Experimenta Nova" – это развернутое философское эссе, в котором фон Герике излагает взгляд на природу пространства, схожий с тем, что впоследствии развивал Ньютон. Он открыто критикует учение о наполненности мира, восходящее к Аристотелю, и его принятие его современником Декартом. Особой и неоднократно повторяющейся мишенью его критики становится то, как принцип "природа не переносит пустоты" трансформировался из простого экспериментального наблюдения в основополагающий принцип физики, используемый для объяснения явлений, таких как всасывание, но сам при этом оставался не подвержен сомнению. Излагая свою точку зрения, фон Герике, признавая влияние предшественников, таких как Лессиус (но не Гассенди), подчеркивает, что считает свои размышления по этой теме оригинальными и новыми. Нет никаких свидетельств того, что фон Герике был знаком с "Nouvelles Experiences touchant le vide" Блеза Паскаля, опубликованной в 1647 году. В "Experimenta Nova", книга III, глава 34, он рассказывает о том, как впервые узнал об эксперименте Торричелли с ртутной трубкой от Валериана Магнуса в Регенсбурге в 1654 году. Работа Паскаля основывалась на сведениях об эксперименте с ртутной трубкой, которые достигли Парижа через Марина Мерсенна в 1644 году. Показателем неразрешенности вопроса о принципе "природа не переносит пустоты" в то время может служить мнение Паскаля, выраженное в заключении "Новых опытов", где он пишет: "Я принимаю за истинные следующие положения: (а) все тела испытывают неприязнь к разделению друг от друга и к возникновению пустоты между ними, то есть природа не переносит пустоты". Паскаль далее утверждает, что эта неприязнь к пустоте, однако, является ограниченной силой, и, следовательно, создание вакуума возможно. Его модель, состоящая из поршня и цилиндра воздушной пушки с двусторонними клапанами, предназначалась для откачки воздуха из любого соединенного с ней сосуда и использовалась для изучения свойств вакуума во множестве экспериментов. Герике продемонстрировал силу давления воздуха в ряде впечатляющих экспериментов. В 1657 году он изготовил два полушария диаметром 20 дюймов и откачал из них весь воздух, герметично соединив их. Давление воздуха снаружи удерживало половинки вместе настолько сильно, что шестнадцать лошадей, по восемь, запряженных с каждой стороны земного шара, не могли их разъединить. Для разделения потребовалось бы усилие более чем в 4000 фунтов. По оценкам, откачивая воздух из этих сфер, ему удалось снизить внутреннее давление примерно до 1/25 атмосферы. Фон Герике также показал, что электрическое (магнитное) притяжение не требует среды для своего проявления, проведя эксперимент с передачей электричества по льняной нити.

Book II of the Experimenta Nova is an extended philosophical essay in which von Guericke puts forward a view of the nature of space similar to that later espoused by Newton. He is explicitly critical of the plenist views of Aristotle and of their adoption by his younger contemporary Descartes. A particular and repeated target of his criticism is the manner in which the "nature abhors a vacuum" principle had migrated from simply a matter of experiment to a high principle of physics which could be invoked to explain phenomena such as suction but which itself was above question. In setting out his own view, von Guericke, while acknowledging the influence of previous philosophers such as Lessius (but not Gassendi), makes it clear that he considers his thinking on this topic to be original and new. There is no evidence that von Guericke was aware of the Nouvelles Experiences touchant le vide of Blaise Pascal published in 1647. In the Experimenta Nova, Book III, Ch. 34, he relates how he first became aware of Torricelli's mercury tube experiment from Valerianus Magnus at Regensburg in 1654. Pascal's work built upon reports of the mercury tube experiment which had reached Paris via Marin Mersenne in 1644. An indication of the unresolved status of the "nature abhors a vacuum" principle at that time may be taken from Pascal's opinion, expressed in the conclusion of the Nouvelles Experiences, when he writes: "I hold for true the maxims set out below: (a) that all bodies possess a repugnance to being separated one from another and from admitting a vacuum in the interval between them – that is to say that nature abhors a void." Pascal goes on to claim that this abhorrence of a void is, however, a limited force and thus that the creation of a vacuum is possible. His model consisting of a piston and an air gun cylinder with two way flaps designed to pull air out of whatever vessel it was connected to, and used it to investigate the properties of the vacuum in many experiments. Guericke demonstrated the force of air pressure with dramatic experiments. In 1657, he machined two 20 inch diameter hemispheres and pumped all the air out of them, locking them together with a vacuum seal. The air pressure outside held the halves together so tightly that sixteen horses, eight harnessed to each side of the globe, could not pull the halves apart. It would have required more than 4,000 pounds of force to separate them. It is estimated that by pumping the air out of these spheres, he was able to reduce the internal pressure to roughly 1/25 of an atmosphere. Von Guericke also showed that electrical (magnetic) attraction does not require a medium to operate in by an experiment using electrical transmission through linen thread.

Электростатические исследования

Фон Герике рассматривал способность тела оказывать влияние за пределы его непосредственных границ в терминах "корпоральных и некорпоральных потенций". Примерами "корпоральных потенций" служило выделение тел парами, запахами, газами и т.п. Примером "некорпоральной потенции" была "консервативная потенция" Земли, благодаря которой она удерживала свою атмосферу и вызывала возвращение брошенных вверх предметов на земную поверхность. Земля также обладала "пульсивной потенцией", которая, как предполагалось, объясняла, почему падающие предметы отскакивают. Понятие "некорпоральной потенции" близко к понятию "действие на расстоянии", однако первое оставалось чисто качественным и не содержало намека на фундаментальный принцип "действия и противодействия". Фон Герике описывает свои работы по электростатике в главе 15 книги IV "Experimenta Nova". В письме от ноября 1661 года к Фр. Шотту, опубликованном в "Technica Curiosa", он отмечает, что планируемая книга IV будет посвящена "космическим потенциям" (virtutes mundanae). Принимая во внимание утверждение предисловия к "Experimenta Nova" о том, что вся работа была по существу завершена до марта 1663 года, фон Герике может быть справедливо признан изобретателем примитивной формы фрикционной электрической машины до 1663 года. Его электростатический генератор был создан на основе серного шара, прикрепленного к железному стержню. Потирая шар сухой рукой, фон Герике мог создавать дисбаланс зарядов на поверхности, что позволяло ему притягивать и отталкивать другие предметы. В главе 6 книги IV фон Герике пишет: "Кажется разумным предположить, что если Земля обладает подходящей и уместной притягательной потенцией, то она также будет обладать потенцией отталкивания вещей, которые могут быть для нее опасны или неприятны. Это можно наблюдать на примере серного шара, описанного ниже в главе 15. Когда этот шар поглаживают или трут, он не только притягивает все легкие предметы, но иногда произвольно отталкивает их, прежде чем снова притянуть. Иногда он даже не притягивает их снова". Фон Герике был знаком с книгой Гилберта "О магните, магнитных телах и о великом магните – Земле" (De Magnete), опубликованной в 1600 году, и с "Philosophia Magnetica" (1629) иезуита Никколо Кабео. Он не признает, что Кабео предвосхитил его демонстрацию электростатического отталкивания, но, цитируя отрывок с той же страницы, не мог не знать, что в обсуждении природы электрического притяжения Кабео писал ("Philosophia Magnetica", с. 192): "Когда мы видим, что небольшие тела (corpuscula) поднимаются (sublevari et attolli) над янтарем и также падают обратно на неподвижный янтарь, нельзя сказать, что такое беспорядочное поведение (talem matum – но если "matum" является опечаткой "motum", то перевод будет просто "такое движение") является притяжением, вызванным гравитацией притягивающего тела". В книге IV, главе 8 "Experimenta Nova" фон Герике старается подчеркнуть разницу между его собственными взглядами на "некорпоральную потенцию" и более аристотелевскими заключениями Кабео. Он пишет: "Авторы, писавшие о магнетизме, всегда смешивают его с электрическим притяжением, хотя между ними существует большая разница. В частности, Гилберт в своей книге "De Magnete" утверждает, что электрическое притяжение вызвано истечением юмора, что влажное стремится к влажному, и это является причиной притяжения. Более того, в "Philosophia Magnetica", книге 2, главе 21, Кабео критикует Гилберта, но признает, что это притяжение создается посредством истечения. Влажность не играет никакой роли, но притяжение происходит исключительно благодаря действию истечения, которое возмущает воздух. После первоначального импульса воздух возвращается к янтарю, унося с собой мелкие частицы. Он (Кабео) заключает: "Я утверждаю, что из янтаря или любого другого электрически притягивающего тела исходит очень разреженное истечение, которое рассеивает и ослабляет воздух, чрезвычайно его возбуждая. Затем возбужденный и ослабленный воздух возвращается к янтарному телу, увлекая за собой любую пыль или мелкие тела, которые находятся на его пути". Однако мы, которые в предыдущей главе рассматриваем притяжение серного шара как электрическое по своей природе и действующее посредством консервативной потенции, не можем признать, что воздух играет роль в создании притяжения. Эксперимент наглядно показывает, что этот серный шар (после того, как его потирают) также проявляет свою потенцию через льняной шнур на расстоянии до локтя и более, и может притягивать на этом расстоянии". Неизвестно им в то время, это "загадочное" притяжение и отталкивание, которое они наблюдали, на самом деле было электрической проводимостью. Ключевая глава 15 называется "Об эксперименте, в котором эти потенции, перечисленные выше, могут быть вызваны трением серного шара". В разделе 3 этой главы он описывает, как легкие тела отталкиваются от серного шара, который был натерт сухой рукой, и не притягиваются снова, пока не коснутся другого тела. В своей рецензии на "Experimenta Nova" (ноябрь 1672 года) в "Proceedings of the Royal Society" Олденбург скептически замечает: "Насколько можно доверять этому шару, могут сообщить нам дальнейшие испытания и соображения какого-нибудь изобретательного человека здесь". Фактически, Роберт Бойль повторил эксперименты фон Герике для Королевского общества в ноябре 1672 года и феврале 1673 года.

Von Guericke thought of the capacity of body to exert an influence beyond its immediate boundaries in terms of "corporeal and incorporeal potencies". Examples of "corporeal potencies" were the giving off of fumes, smells, gases etc. by bodies. An example of an "incorporeal potencies" was the Earth's "conservative potency" whereby it retained its atmosphere and caused the return of objects thrown upwards to the Earth's surface. The Earth also possessed an "expulsive potency" which was deemed to explain why objects that fall bounce back up again. The notion of an "incorporeal potency" is similar to that of "action at a distance", except the former notion remained purely qualitative and there is no inkling of the fundamental "action and reaction" principle. Von Guericke describes his work on electrostatics in Chapter 15 of Book IV of the Experimenta Nova. In a letter of November 1661 to Fr. Schott, reproduced in the Technica Curiosa, he notes that the then projected Book IV would be concerned with "cosmic potencies" (virtutes mundanae). Accepting the claim of the preface to the Experimenta Nova that the entire work had been essentially completed before March 1663, von Guericke can be fairly credited with inventing a primitive form of frictional electrical machine before 1663. His electrostatic generator was created using a sulphur globe attached to an iron rod. By rubbing the sphere with a dry hand, von Guericke was able to impart a charge imbalance on the surface, which would allow him to attract and repel other objects. In Chapter 6 of Book IV von Guericke writes: "It seems reasonable to suppose that if the Earth has a fitting and appropriate attractive potency it will also have a potency of repelling things that might be dangerous or disagreeable to it. This is to be seen in the case of the sulphur sphere described below in Chapter 15. When that sphere is stroked or rubbed not only does it attract all light objects, but it sometimes arbitrarily also repels them before attracting them again. Sometimes indeed it doesn't even attract them again." Von Guericke was aware of both Gilbert's book On the Magnet and Magnetic bodies and on the great magnet the Earth (De Magnete) published in 1600 and of the Jesuit Niccolo Cabeo's Philosophia Magnetica (1629). He does not explicitly acknowledge any anticipation of his demonstration of electrostatic repulsion by the latter but, as he quotes a passage from the same page, could not have been unaware that, in a discussion of the nature of electrical attraction, Cabeo had written (Philosophia Magnetica, p. 192): "When we see that small bodies (corpuscula) are lifted (sublevari et attolli) above the amber and also fall back to the motionless amber, it cannot be said that such erratic behaviour (talem matum – but if "matum" is taken as a misprint for "motum", then the translation is simply "such motion") is an attraction by the gravity of the attracting body." In Book IV, Chapter 8 of the Experimenta Nova von Guericke is at pains to point out the difference between his own "incorporeal potency" views and Cabeo's more Aristotelian conclusions. He writes: "Writers who have written on magnetism, always confuse it with electrical attraction, although there is a great difference. In particular, Gilbert in his book De Magnete claims that electrical attraction is caused by the effluence of a humour, that the humid seeks the humid and this is the cause of the attraction. Moreover in Philosophia Magnetica, Book 2, Chapter 21, Cabeo criticises Gilbert but does admit that this attraction is created by the agency of an effluent. Humidity does not play any role but the attraction is brought about purely by the agency of an effluent, by which the air is disturbed. After the initial impulse, the air returns to the amber again taking with it little particles. He (Cabeo) concludes by saying: 'I say therefore that from amber or any other electrically attracting body, a very rarefied effluent is emitted which dispels and attenuates the air, extremely agitating it. Then the agitated and attenuated air returns to the amber body sweeping along with it whatever dust or small bodies are in its way'. We however, who in the previous chapter, take the attraction of the sulphur ball as electrical in nature and operating through a conservative potency, cannot admit that the air plays a role in producing the attraction. Experiment visibly shows that this sulphur globe (once it has been rubbed) also exercises its potency through a linen cord up to a range of a cubit and more and can attract at that distance." Unknown to them at the time, this "mysterious" attraction and repulsion they had been witnessing was actually electrical conduction. The key Chapter 15 is titled "On an experiment, in which these potencies, listed above, can be evoked by the rubbing of a sulphur ball." In Section 3 of this chapter, he describes how light bodies are repelled from a sulphur sphere which has been rubbed with a dry hand, and are not again attracted until they have touched another body. Oldenburg's review of the Experimenta Nova (November 1672) in the Proceedings of the Royal Society sceptically observes: "How far this globe may be confided in, the Tryals and Consideration of some ingenious person here may perhaps inform us hereafter." In fact, Robert Boyle repeated von Guericke's experiments for the Royal Society in November 1672 and February 1673.