真空とは何か1

真空はいかにして発見されたか

｢マグデブルグの半球｣という言葉に懐かしさを感じる人はかなりの
理科好きであったはずである。中学校の理科の教科書に載っていた
絵を思い出さないだろうか。その絵は球状のものを数頭ずつの馬が
左右に引き合っているものだ。これが空気力学の上で重要な｢事件｣
ともいえる出来事になった実験である。

正式には｢真空についての(いわゆる)マグデブルグの新実験｣と呼ば
れるもので、ドイツの物理学者オットー・フォン・ゲーリケが1657
年に行なったものだ。厚手のブロンズで作り上げた内部が空洞の半
球を２個ぴたりとすり合わせて空気を抜き、それを16頭の馬で左右
に引っ張らせたのだ。そんな力で引っ張っても半球はびくともせず
離れなかった。にもかかわらず空気を再び注入すると半球はあっさ
りと離れた。これが実験の概要である。

ゲーリケがなぜこんな実験を行なったかというと、実は古代ギリシ
ャ以来「真空はない」と考えられてきたことを覆すための一大デモ
ンストレーションだったのだ。彼は政治家でもあったところを見る
と、こうした演出がうまかったといえるのかもしれない。

古代ギリシャ以来、真空の存在は一般に強く否定されるものであっ
た。その論拠は「自然現象はいかなる場合にも真空の出現に反対す
るように進行する」という考え方であった。これを「｢自然の真空
嫌悪」と呼ぶ。それは例えばこういうことだ。

ボートはオールで漕ぐと進み、今まで存在していた場所には存在し
なくなる。するとその場所には真空が生まれかかるのだが、これを
否定しようとして水がその空隙を満たす。この「真空になりかかる
部分を否定する」という現象こそが「自然の真空嫌悪」だと考えら
れていたのである。

これを17世紀に入って否定したのがルネサンス末期イタリアの自然
学者であり天文学者であったガリレオ・ガリレイであった。彼はま
ず、自然が真空を嫌悪してこれを埋め尽くしていこうとするならば
何故にポンプは10m 前後の高さを境にして水を汲み上げられなくな
るのかという疑問を提出した。

この疑問を立証したのが彼の弟子であり数学者・物理学者であった
エバンゲリスタ・トリチェリであった。ガリレイの亡くなった翌年
の1643年に、いわゆる「トリチェリの真空」と呼ばれる現象を確認
した。試験管のような一方がふさがれたかたちをした長いガラス管
に水銀を満たし、これを水銀槽の中に倒立させると、ほぼ76cmの高
さに水銀柱が保たれ、ガラス管の上部には何も存在しない部分がで
きることを示したのだ。これが真空の発見であった。

この原理をそのまま用いたのが水銀気圧計である。水銀を押す大気
圧の力が水銀柱の高さに連動することから作られた気圧計である。
そして先のガリレイが提示したポンプへの疑問もこの気圧計から考
えればすぐに解ける。すなわち大気圧が水を押し上げる力は10メー
トルほどしかないのだ。

ポンプは真空を作りながら大気圧の力によって水を引き上げるもの
だから、大気圧の力が及ばなくなればそれ以上の高さまで水を引き
上げることはできないのだ。

マグデブルグの半球という実験は、真空によって大気圧の力の大き
さを示したものだといいかえることも可能だろう。「自然の真空嫌
悪」が及ばない場所があることを示すことが、すなわち真空の発見
であったのである。

[2]へ続く