Vào thế kỷ 17, Evangelista Torricelli đã thực hiện một thí nghiệm vật lý chứng minh sự tồn tại của chân không. Dụng cụ ông dùng trong thí nghiệm sau này được sử dụng như một thiết bị đo áp suất khí quyển, gọi là khí áp kế thủy ngân.

Evangelista Torricelli và thí nghiệm của ông. Ảnh: History.
Evangelista Torricelli và thí nghiệm của ông. Ảnh: History.

Evangelista Torricelli sinh ra tại thành phố Faenza, Ý, vào ngày 15/10/1608. Mặc dù xuất thân trong một gia đình nghèo khó, nhưng với sự nỗ lực không ngừng và ham học hỏi, ông đã trở thành một trong những người nổi tiếng nhất cộng đồng khoa học nước Ý. Ông là người đã chấm dứt một cuộc tranh luận triết học kéo dài 2.000 năm về sự tồn tại của chân không và bản chất của không gian bằng việc thực hiện một thí nghiệm vật lý duy nhất.

Cha của Torricelli mất sớm nên ông được người chú Jacob Giacomo chăm sóc từ lúc còn nhỏ. Ban đầu, ông học ở trường dòng Faenza tại địa phương và bộc lộ năng khiếu đặc biệt về khoa học tự nhiên. Vì vậy, người chú quyết định đưa ông đến Rome năm 18 tuổi để theo học các môn khoa học ở trường Đại học Sapienza. Năm 1641, ông tới Florence làm thư ký kiêm trợ lý cho Galileo Galilei lúc bấy giờ đã bị mù.

Vào thời điểm đó, Galileo đang bận tâm đến vấn đề của những người đào giếng ở khu vực Tuscan, Ý. Họ nhận thấy các máy bơm pittông không thể hút nước lên độ cao hơn 10,3m tính từ vị trí mặt nước ngầm trong lòng đất. Một số người mang vấn đề này đến hỏi Galileo, nhờ ông lý giải xem tại sao nước không thể bơm cao hơn. Galileo đã suy nghĩ một cách nghiêm túc, nhưng ông qua đời vào năm 1642 trong khi bí ẩn vẫn chưa được giải quyết. Galileo đặt ra giả thuyết, có lẽ trọng lượng của bản thân cột nước trong ống đã kéo tụt nước xuống.

Torricelli tin rằng vấn đề không phải chỉ ở trọng lượng của nước mà còn ở áp suất khí quyển. Năm 1643, ông tiến hành một thí nghiệm để tìm hiểu sâu hơn vấn đề này. Ông lấy một ống thủy tinh dài khoảng 1m, một đầu kín, đổ đầy thủy ngân vào. Ông lấy ngón tay bịt miệng ống rồi quay ngược ống xuống, sau đó nhúng chìm miệng ống vào một chậu đựng thủy ngân rồi bỏ ngón tay bịt miệng ống ra. Thí nghiệm trên thực hiện không hề dễ dàng, bởi vì ống thủy tinh sản xuất trong thế kỷ 17 rất giòn và dễ vỡ. Chúng thường vỡ khi chứa đầy một kg thủy ngân. Torricelli nhận thấy thủy ngân trong ống tụt xuống, còn lại khoảng 76 cm tính từ măt thoáng của thủy ngân trong chậu. Trọng lượng cột thủy ngân tương đương với trọng lượng một cột nước cao hơn 10m. Ngày nay, người ta vẫn dùng chiều cao của cột thủy ngân trong thí nghiệm của Torricelli để diễn tả độ lớn áp suất khí quyển, tương đương 760 mmHg. [Lưu ý thí nghiệm này dùng thủy ngân là chất độc hại nên bạn không nên làm theo].

Torricelli kết luận áp suất khí quyển đã tạo ra lực đẩy và giữ cho cột thủy ngân không hạ xuống hoàn toàn. Trong trường hợp của những người đào giếng, áp suất khí quyển đẩy nước lên cao trong ống bơm. Khi áp suất gây ra bởi trọng lượng của cột nước trong ống bơm cân bằng với áp suất khí quyển thì áp suất khí quyển không đủ sức đẩy cột nước lên cao hơn nữa. Ngoài ra, không gian phía trên cột thủy ngân trong ống là chân không. Ở đó không có gì cả, không có thủy ngân là hiển nhiên nhưng cũng không có không khí, bởi vì không có đường nào để không khí lọt vào. Torixenli coi thí nghiệm này là bằng chứng không thể phủ nhận về sự tồn tại của chân không. Đây cũng là lần đầu tiên chân không được tạo ra trong phòng thí nghiệm.

Ý tưởng về chân không đã gây tranh cãi từ thời cổ đại. Cả Plato và Aristotle đều nghĩ rằng sự tồn tại của chân không là không thể, ngược lại với quy luật tự nhiên. Bởi vì vật chất xung quanh chân không sẽ ngay lập tức chiếm chỗ và lấp đầy nó. Aristotle có câu nói nổi tiếng rằng: “Tự nhiên ghét chân không”. Ở châu Âu thời Trung cổ, việc thảo luận về chân không được coi là dị giáo và nguy hiểm.

Thuật ngữ chân không (vacuum) xuất hiện lần đầu tiên bằng tiếng Anh vào năm 1550. Nó được đưa ra bởi Thomas Cranmer, Tổng Giám mục Canterbury, người soạn thảo Sách Cầu nguyện chung (Book of Common Prayer) – tài liệu chính của Giáo hội Anh. Thuật ngữ ông sử dụng là một phần của một cuộc tranh luận thần học, được trích dẫn trong Từ điển tiếng Anh Oxford: “Nếu tồn tại một nơi trống rỗng, hay chân không, thì ở đó không có vật chất.”

Trong thế kỷ XX, các nhà vật lý đã vượt xa những hiểu biết của Torricelli về chân không. Họ phát hiện chân không không phải là một nơi trống rỗng, mà là một khoảng không chứa đầy những điều kỳ diệu: bức xạ điện từ, bao gồm bức xạ nền vũ trụ sau vụ nổ Big Bang; một “đại dương” các cặp hạt – phản hạt ảo, hay một không gian bị uốn cong.

Đóng góp lớn của Torricelli là mang ý tưởng chân không từ phép biện chứng của thời cổ đại vào vật lý thực nghiệm. Do lo ngại gây ra nhiều canh cãi về sự tồn tại của chân không, cũng như nhà thờ vào thời điểm đó ủng hộ quan điểm của Aristotle, ban đầu ông không công khai thí nghiệm của mình mà chỉ tiết lộ nó trong thư gửi một người bạn tên là Michelangelo Ricci. Vào tháng 10 năm 1644, nhà khoa học người Pháp Marin Mersenne đến thăm Torricelli. Ông đã thực hiện lại thí nghiệm cho Mersenne quan sát và đưa cho anh ta các bản sao lá thư gửi cho Ricci. Mersenne mang kết quả thí nghiệm kể lại cho Blaise Pascal và các nhà khoa học nổi tiếng khác ở Pháp, công khai nghiên cứu của Torricelli lần đầu tiên.

Pascal ngay lập tức hiểu được ý nghĩa của thí nghiệm và lặp lại nó vào năm 1646. Ông tin rằng áp suất khí quyển sẽ giảm theo độ cao. Ông cùng một số người bạn mang bộ dụng cụ thí nghiệm giống như của Torricelli lên một ngọn núi ở miền Nam nước Pháp. Họ phát hiện càng lên cao, áp suất khí quyển càng giảm do không khí loãng hơn, và chiều cao của cột thủy ngân cũng giảm dần. Ở những độ cao không lớn lắm thì cứ lên cao 12m, áp suất khí quyển giảm trung bình khoảng 1 mmHg.

Pascal hiểu rằng áp suất khí quyển được đo bằng trọng lượng của khí quyển trên một đơn vị diện tích. Ông đã ước tính diện tích bề mặt Trái đất và tính tổng khối lượng của khí quyển. Kết quả tính áp suất khí quyển của ông có sự khác biệt nhỏ hơn 30% so với giá trị chuẩn được chấp nhận rộng rãi hiện nay trong các sách hóa học và vật lý (101.325 Pa).

Dụng cụ Torricelli dùng trong thí nghiệm cũng được biết đến là dụng cụ đo khí áp đầu tiên, gọi là khí áp kế thủy ngân, hay phong vũ biểu thủy ngân. Những cải tiến nhỏ sau đó đã được thực hiện để tăng độ chính xác của kết quả đo, nhưng thiết kế cơ bản vẫn không thay đổi. Trong các trạm khí tượng trên thế giới, nó được dùng làm chuẩn quy chiếu để đo áp suất khí quyển trong hơn ba thế kỷ.

Ngoài việc sáng chế dụng cụ đo khí áp, Torricelli còn đạt được nhiều thành tựu khác trong nghiên cứu toán học và vật lý. Công thức của ông thiết lập cho dòng chảy của một chất lỏng phun ra từ một lỗ nhỏ của thùng chứa được gọi là Định lý Torricelli. Ông qua đời ở Florence năm 1647, khi chỉ mới 39 tuổi. Để tưởng nhớ công lao của Torricelli, người ta đã xây dựng một bức tượng của ông ở Faenza vào năm 1864.