空気の重さを量る

井戸の水を喞筒で吸い上げると、どんなに出来の良い喞筒でも、十メートルほどの高さで水は止まってしまう。それ以上は、いくら引いても上がらない。鉱山や庭園の噴水を手がける職人たちは、そのことを経験で知っていた。ガリレオ・ガリレイも1638年の『新科学対話』でこの限界に触れ、水の柱が自分の重さで切れるのだろうと考えた。

当時の学問の説明は、アリストテレス以来の「自然は真空を嫌う」だった。喞筒で中の空気を引けば、空っぽの空間ができそうになる。自然はそれを嫌うから、水が追いかけて上がってくる。では、なぜ十メートルで嫌うのをやめるのか。この問いに、うまい答えはなかった。そもそも、何も無い空間というものがありうるのかどうかが、哲学の大きな論争だった。

1640年頃、ローマのガスパロ・ベルティは、建物の壁に十メートルを超える鉛の管を立て、水を満たして下の栓を開いてみた。水は少し下がって止まり、管の上には何かの空間が残った。その空間が何なのかについて、議論は決着しなかった。

ガリレオが晩年を過ごしたフィレンツェ近郊の家には、最後の数か月、若い数学者エヴァンジェリスタ・トリチェリが助手として住み込んでいた。ガリレオの死後、トリチェリはトスカーナ大公付きの数学者の職を継ぐ。1643年から翌年にかけて、彼は水の代わりに水銀を使うことを考えた。水銀は水の13倍以上重い。もし水が自分の重さで止まるのなら、水銀ははるかに低いところで止まるはずである。十メートルの管を立てる代わりに、一メートルほどのガラス管で済む。

実験はこう行われた。片方の端を閉じたガラス管に水銀を満たし、開いた口を指で押さえて逆さにし、水銀を張った皿に立てる。指を離すと、管の中の水銀は少し下がり、皿の面からおよそ76センチの高さで止まった。管の上には隙間が残る。実際に手を動かしたのは、同じくガリレオの弟子だったヴィヴィアーニだったとも言われる。

トリチェリは、1644年6月、ローマの友人ミケランジェロ・リッチに宛てた手紙で、この結果の意味を説明した。水銀を支えているのは、上の隙間が引く力ではない。外の空気が皿の水銀の面を押し下げていて、その押す力と、管の中の水銀の柱の重さが釣り合う高さで止まるのだ。私たちは空気という海の底に沈んで暮らしている、と彼は書いた。だから水なら十メートル、水銀なら76センチで止まる。そして管の上の隙間には空気が入りようがない。そこは真空である。空気に重さがあることと、真空が作れることを、一本の管が同時に示していた。

トリチェリはまた、管の水銀の高さが日によってわずかに変わることにも気づいていた。空気の重さそのものが変わるからだと考えたのである。

この知らせはフランスに伝わり、ブレーズ・パスカルが後を引き取った。空気が重さで押しているのなら、高い山の上では上に乗っている空気が少ないぶん、水銀の柱は低くなるはずである。1648年9月、パスカルの義兄フロラン・ペリエが、中部フランスのピュイ・ド・ドーム山で、麓と頂上で同じ実験を行った。頂上の水銀は、麓より8センチほど低かった。パスカルはこれを、自然が真空を嫌うという考えを退ける決定的な証拠として発表した。

その後、ドイツのゲーリケは空気を抜く喞筒を作り、1650年代、真空にした二つの銅の半球を馬の群れでも引き離せないことを公開で見せた。イギリスでは空気の喞筒を改良した実験からボイルの法則が生まれる。トリチェリ自身は1647年、39歳で病に倒れた。気圧の単位「トル」に、その名が残っている。

水銀の柱の高さは、空気の押す力を数で示す。その数が下がると天気が崩れることが多い、と人々はやがて気づいた。晴雨計は17世紀の終わりには裕福な家の壁に掛けられる道具になり、19世紀には各地の気圧を電信で集めて嵐を予報する試み（最初の天気予報）につながっていく。井戸の水が上がらないという職人の悩みから、空の重さを量る道具が生まれたのである。