Phong vũ biểu đầu tiên: Torricelli, Pascal và trọng lượng không khí

Chiếc phong vũ biểu đầu tiên ra đời năm 1643 ở Florence, khi Evangelista Torricelli dốc ngược một ống thuỷ tinh đầy thuỷ ngân vào chậu và thấy cột thuỷ ngân chỉ tụt xuống tới khoảng 76 cm rồi đứng yên. Ông giải thích rằng chính sức nặng của không khí đè lên mặt chậu đã giữ cột thuỷ ngân. Năm năm sau, Blaise Pascal cho mang dụng cụ ấy lên núi Puy de Dôme và chứng minh: càng lên cao, cột thuỷ ngân càng thấp, nghĩa là không khí có trọng lượng và mỏng dần theo độ cao.

Câu hỏi khởi đầu: vì sao bơm hút không kéo nước lên quá 10 mét

Thợ làm giếng và thợ mỏ ở Ý thế kỷ 17 biết một chuyện khó chịu: bơm hút dù tốt đến đâu cũng không kéo nước lên cao quá chừng 10 mét. Theo quan niệm thừa hưởng từ Aristotle, "tự nhiên ghê sợ chân không" (horror vacui), nên nước bị hút lên để lấp chỗ trống. Nhưng nếu vậy thì sao lại có giới hạn?

Galileo Galilei đã ghi nhận hiện tượng này trong cuốn Hai khoa học mới (1638) và cho rằng cột nước bị đứt vì quá nặng, giống sợi dây treo vật tự đứt khi đủ dài. Ở Rome, khoảng đầu thập niên 1640, Gasparo Berti dựng một ống chì cao hơn 10 mét gắn vào tường nhà, đổ đầy nước, bịt hai đầu rồi mở đáy trong một bể nước. Nước tụt xuống và dừng ở khoảng 10 mét, phía trên để lại một khoảng trống. Thí nghiệm gây tranh cãi lớn: khoảng trống đó có thật là "không có gì"?

Thí nghiệm của Torricelli năm 1643

Torricelli, học trò và người kế nhiệm Galileo ở triều đình Tuscany, nghĩ ra cách làm gọn hơn: thay nước bằng thuỷ ngân, chất lỏng nặng gấp khoảng 13,6 lần. Nếu điều giữ cột chất lỏng là một lực bên ngoài có độ lớn nhất định, thì cột thuỷ ngân chỉ cần cao bằng khoảng 1/14 cột nước. Thí nghiệm do Vincenzo Viviani, một học trò khác của Galileo, thực hiện theo ý tưởng của Torricelli vào năm 1643.

1. Lấy một ống thuỷ tinh dài chừng một mét, một đầu kín, đổ đầy thuỷ ngân.
2. Bịt đầu hở bằng ngón tay, dốc ngược, nhúng vào chậu thuỷ ngân rồi bỏ tay ra.
3. Cột thuỷ ngân tụt xuống và dừng ở độ cao khoảng 76 cm so với mặt chậu, để lại phía trên một khoảng trống mà về sau người ta gọi là "chân không Torricelli".

Kết quả khớp với dự đoán: tỉ lệ giữa cột nước 10 mét và cột thuỷ ngân 76 cm đúng bằng tỉ lệ khối lượng riêng của hai chất. Năm 1644, trong một bức thư gửi nhà toán học Michelangelo Ricci, Torricelli diễn đạt ý tưởng của mình bằng một hình ảnh nổi tiếng: con người sống chìm dưới đáy một "biển không khí". Ông còn để ý rằng độ cao cột thuỷ ngân thay đổi chút ít theo từng ngày, và đoán rằng điều đó liên quan tới không khí lúc nặng lúc nhẹ.

Đây là bước ngoặt về cách nghĩ. Thay vì "chân không kéo nước lên", Torricelli nói "không khí đẩy chất lỏng lên". Thứ ta gọi là sức hút thực ra là sức đẩy của khí quyển.

Pascal và chuyến leo núi Puy de Dôme năm 1648

Tin về thí nghiệm của Torricelli sang tới Pháp qua nhà toán học Marin Mersenne. Blaise Pascal, khi đó mới ngoài hai mươi tuổi, lặp lại thí nghiệm ở Rouen với nhiều chất lỏng và nhiều cỡ ống, rồi in cuốn Thí nghiệm mới về chân không năm 1647.

Nhưng Pascal muốn một phép thử dứt khoát. Nếu cột thuỷ ngân được giữ bởi sức nặng của lớp không khí phía trên, thì lên núi cao, lớp không khí còn lại mỏng hơn, cột thuỷ ngân phải thấp xuống. Bản thân ông sức khoẻ yếu, nên nhờ anh rể Florin Périer, sống ở Clermont, tiến hành thí nghiệm trên núi Puy de Dôme, một ngọn núi lửa đã tắt cao gần 1.500 mét ở miền trung nước Pháp.

Ngày 19 tháng 9 năm 1648, Périer để một ống đối chứng ở dưới chân núi, có người theo dõi suốt ngày, rồi mang một ống khác lên đỉnh. Trên đỉnh, cột thuỷ ngân thấp hơn dưới chân núi hơn 3 pouce (đơn vị Pháp cũ, mỗi pouce khoảng 2,7 cm), tức chênh chừng 8 cm. Ống đối chứng dưới chân núi không đổi trong ngày. Các lần đo ở lưng chừng núi cho giá trị nằm giữa. Pascal sau đó còn tự đo trên tháp Saint-Jacques ở Paris, cao khoảng 50 mét, và vẫn thấy cột thuỷ ngân thấp đi một chút.

Thí nghiệm Puy de Dôme là một trong những thí nghiệm có đối chứng sớm nhất của khoa học hiện đại: một ống giữ nguyên làm mốc, một ống mang đi thay đổi điều kiện, kết quả được ghi lại cụ thể.

Bảng mốc: từ ống thuỷ tinh tới khí áp kế hộp

Otto von Guericke và hai bán cầu không kéo rời được

Cùng thời đó ở Đức, Otto von Guericke, thị trưởng thành phố Magdeburg, chế tạo được máy bơm hút không khí. Năm 1654, trước Nghị viện Đế quốc ở Regensburg, ông ghép hai bán cầu đồng, rút gần hết không khí bên trong, rồi cho hai đội ngựa kéo về hai phía. Ngựa không tách nổi hai nửa quả cầu. Khi mở van cho không khí lọt vào, hai nửa rời ra dễ dàng.

Lý do rất đơn giản: không khí bên ngoài ép lên mỗi mét vuông bề mặt một lực khoảng 101.000 newton, tương đương sức nặng của hơn 10 tấn. Bình thường ta không cảm nhận được vì không khí ép đều từ mọi phía, kể cả từ bên trong cơ thể. Chỉ khi một phía bị rút bớt, lực ép phía còn lại mới lộ ra.

Từ thuỷ ngân tới đơn vị đo áp suất

Thí nghiệm của Torricelli để lại dấu vết ngay trong các đơn vị ta dùng hôm nay:

• mmHg (milimét thuỷ ngân): đo áp suất bằng độ cao cột thuỷ ngân. Áp suất chuẩn ở mực nước biển là 760 mmHg.
• torr: đặt theo tên Torricelli, gần bằng 1 mmHg. Giới nghiên cứu chân không vẫn dùng đơn vị này.
• pascal (Pa): đơn vị chuẩn quốc tế, đặt theo tên Pascal. Áp suất chuẩn mực nước biển là 101.325 Pa, tức 1013,25 hPa.
• atm (átmốtphe chuẩn): 1 atm = 1013,25 hPa = 760 mmHg.

Trong y tế, huyết áp vẫn ghi bằng mmHg dù máy đo ngày nay đa phần là máy điện tử. Trong khí tượng, bản đồ thời tiết dùng hPa (trước đây gọi là milibar, hai đơn vị bằng nhau).

Phong vũ biểu và chuyện đoán thời tiết

Torricelli đã thấy cột thuỷ ngân "nhảy" theo ngày. Đến thế kỷ 18, người châu Âu treo phong vũ biểu trong nhà như một món đồ quen thuộc, mặt đồng hồ ghi những chữ như "Mưa", "Thay đổi", "Đẹp trời". Quy tắc thô sơ là: áp suất giảm nhanh thường báo hiệu thời tiết xấu đi, áp suất tăng đều thường đi kèm trời quang. Quy tắc này đúng ở mức xu hướng tại các vùng ôn đới, không đủ để dự báo cụ thể.

Tới giữa thế kỷ 19, khi điện báo cho phép gom số đo áp suất từ nhiều trạm về cùng một lúc, người ta mới vẽ được bản đồ đường đẳng áp và thấy những vùng áp thấp di chuyển. Phong vũ biểu từ một đồ vật trong phòng khách trở thành nền móng của ngành khí tượng.

Khí áp kế hộp và đồng hồ đo độ cao

Khí áp kế hộp (aneroid) của Lucien Vidie dùng một hộp kim loại mỏng đã rút bớt khí, có vách gợn sóng. Áp suất bên ngoài tăng thì hộp xẹp xuống, giảm thì hộp phồng lên; một hệ đòn bẩy khuếch đại chuyển động nhỏ đó thành chuyển động của kim. Không có chất lỏng, dụng cụ nhỏ gọn, mang theo được. Đồng hồ đo độ cao trên máy bay, trên đồng hồ đeo tay leo núi, và cảm biến áp suất trong điện thoại thông minh đều dựa trên cùng nguyên lý: đo áp suất rồi quy đổi ra độ cao theo một bảng chuẩn.

Góc nhìn hôm nay: thuỷ ngân rút lui, ý tưởng ở lại

Phong vũ biểu thuỷ ngân từng là chuẩn mực trong các trạm khí tượng suốt ba thế kỷ. Nay chúng đang dần biến mất vì thuỷ ngân độc. Công ước Minamata về thuỷ ngân, thông qua năm 2013, đưa phong vũ biểu và nhiều dụng cụ đo chứa thuỷ ngân vào danh mục sản phẩm cần loại bỏ dần. Các trạm khí tượng hiện đại dùng cảm biến áp suất điện tử, chính xác tới phần mười hPa.

Điều còn lại là cách nghĩ. Torricelli và Pascal đã đổi một câu hỏi triết học ("chân không có tồn tại không?") thành một câu hỏi đo được ("cột thuỷ ngân cao bao nhiêu, ở đâu?"). Với khí quyển, mọi hiểu biết sau này về tầng khí, gió, hoàn lưu đều bắt đầu từ việc biết rằng không khí có trọng lượng.

Muốn xem tận mắt, nhiều bảo tàng khoa học trưng bày phong vũ biểu cổ, như Bảo tàng Galileo ở Florence (giữ nhiều dụng cụ của triều đình Medici). Ở nhà, có thể thử phiên bản an toàn: úp một cốc nước đầy có tấm bìa đậy miệng, nước không đổ ra vì không khí ép từ dưới lên. Ứng dụng đo áp suất trên điện thoại cũng cho thấy số hPa giảm dần khi đi thang máy lên tầng cao.