El debate teórico sobre el problema del vacío y el peso del aire

Recordemos los asuntos que flotaban en el ambiente para entender las circunstancias y el fundamento teórico que propiciaron algunos de los proyectos experimentales del siglo XVII y que finalmente, cual río principal, desembocaron en el mar (de aire) o valga decir con más rigor expresivo que culminaron en el «experimento barométrico» de Torricelli:

La polémica sobre la existencia del vacío en la naturaleza que no es solo una cuestión abstracta de principios más o menos metafísicos, sino que se trata de la puerta para entrar en el atomismo de carácter corpuscular recogido de los griegos y en el estudio de la materia.

Uno de los pilares de la doctrina aristotélica, que se hallaba vigente en el siglo XVII –aunque había pasado por un bache durante la plenitud del Renacimiento florentino- y que se avalaba con la línea ortodoxa del pensamiento hegemónico, consistía en afirmar que: el vacío no existe en la naturaleza sencillamente porque no puede existir, por la propia naturaleza de la materia, cuando no hay materia no existe otra cosa, nada, ni vacío; así, en esta concepción resulta antinatural, o, lo que viene a ser lo mismo, imposible, el llamado horror vacui de la naturaleza, expresión latina sintética que define con precisión la situación.

Un aspecto muy próximo al anterior es el asunto relacionado con el peso del aire y la presión atmosférica. Galileo (1564-1642) consideraba que «el aire no pesa en el aire», y dado el peso intelectual y el prestigio del científico, cualquier experimento que se pretendiese realizar, sobre todo si pudiese contravenir esta propuesta, requería una presentación impecable y sin fisuras. Quizá no todo es pura objetividad científica, sino que también hay que considerar la fulgurante personalidad de Galileo que debía convencer con la mirada…

Si acababa encontrándose, de alguna manera, una evidencia del vacío, se vendría abajo uno de los conceptos vertebradores de la ciencia anteriores al siglo XVII (e incluso aceptados también durante esa centuria).

Un asunto práctico: las infraestructuras hidráulicas

En 1641, Evangelista Torricelli (1608-1647) abandonó Roma, la ciudad en que residía y desarrollaba su actividad, y se encaminó hacia Arcetri, en las colinas de Florencia, para acompañar a Galileo y trabajar con él en su casa, donde en realidad estaba confinado por orden del Santo Oficio. Este es el motivo por el que Torricelli se instaló junto a su maestro (estudiando y cuidándole), los últimos meses de la vida del pisano.

La partida del clérigo Torricelli dejó la ciudad de Roma sin una mente brillante y activa; sin embargo, permanecieron en ella otros colegas y colaboradores, y la vida científica de la urbe no quedó en suspenso. Y no solo no se paralizó, sino que se produjo un hecho de cierta relevancia experimental y conceptual, en el cual participaron algunos de los amigos, colegas y colaboradores de Torricelli.

Desde 1640, Gaspare Berti (1600-1643) estaba trabajando en la fabricación de dispositivos para entender la causa del tope del nivel de elevación del agua que alcanzaban los sifones, que Galileo había determinado con bastante buena aproximación en algo menos de 11 metros (18 brazas florentinas). Berti junto con su colega y amigo Raffaele Magiotti (1597-1656), ambos admiradores científicos de Galileo, pretendían trabajar sobre este punto que estaba tratado en la primera jornada de los Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze.

Los artesanos e incluso los ingenieros, en cierto sentido, protagonizaban la primera jornada, porque conocían sobradamente por la pura práctica cotidiana que las bombas de agua eran incapaces de elevar agua más allá de la altura de 11 m.

Esta preocupación incumbía a la población de ciudades importantes como Florencia y Génova o la propia Roma, las infraestructuras urbanas no son un asunto banal y conllevan estudios y trabajos arduos, muchos de ellos relacionadas con problemas hidráulicos y de abastecimientos de agua en los más avanzados y prósperos enclaves del siglo XVII, pero no solo en núcleos urbanos en sentido estricto, sino que también afectaban a zonas más o menos periféricas. Enfrascados e implicados tanto técnicos como pensadores científicos e ingenieros relevantes locales y foráneos, todos discutían sobre cómo optimizar los equipamientos para elevar el agua de manera más efectiva y de paso comprender el fundamento teórico subyacente. Dado que en la práctica cotidiana, con las herramientas al uso, ningún trabajador pocero conseguía que el agua ascendiera a la dichosa altura superior a 11 metros.

Galileo con su habilidad intelectual, su experiencia y sus conocimientos dio la vuelta a la candente cuestión teórica del vacío sirviéndose del problema real y práctico y a veces bastante apremiante de los sifones y las bombas hidráulicas.

En ese marco, sostenía que el fenómeno de la elevación limitada del agua se debe a que en el interior de la bomba aparece un fenómeno físico con el que no se contaba previamente, porque se desconocía. Según la interpretación galileana del proceso, precisamente el impedimento que hace que el agua, al alcanzar la altura aproximada ya citada de 11 m, deje de ascender, está relacionado de alguna manera con el vacío, no en sí mismo como categoría ontológica sino como tensión, oposición a la ruptura de la columna y en ese límite en altura debe encontrarse el modo de controlar el proceso.

Galileo en los ‘Discorsi’ presentó, de una manera algo vaga, el concepto explicativo de la forza del vuoto (fuerza del vacío): lo comparaba con una cuerda de la que si se tira hacia arriba en exceso acaba rompiéndose y que para evitar el rompimiento «no se puede estirar más allá de cierto valor (que en el caso de la columna de agua no es más que el límite de las 18 brazas florentinas)», es decir la columna de agua se comportaría por efecto de su propio peso como una cuerda o cable.

Esta concepción que Berti y su amigo Magiotti estudiaron minuciosamente es muy posible que diera lugar a las reflexiones en las que se gestaron las ideas para realizar un gran experimento, que planearon con sumo cuidado antes de ponerse manos a la obra e intentar verificarlo.

El pintoresco y «pictórico» caso del experimento en el palacio. El experimento de Berti y Maggiotti

Berti disponía de un palacio en Roma que puso a disposición del experimento, el local laboratorio; de este modo posibilitó que se llevara a cabo el experimento utilizando la fachada de su edificio como lugar de pruebas para realizar esta experiencia con más garantías. Además puesto que se trataba de hacer una exposición pública debía ser cuanto más espectacular mejor.

Situémonos en la fachada del palacio de Berti, se instaló en vertical una tubería de plomo de más de 11 metros de longitud anclada a la fachada del edificio. La parte superior de la tubería estaba recubierta por una bola de vidrio dotada de una apertura que servía para ajustarla sólidamente a la tubería. La parte inferior reposaba en el interior de un recipiente con agua. Berti se las ingenió para encontrar la manera de ir introduciendo agua por la parte superior y por la parte inferior al mismo tiempo, a tal efecto practicó un par de entradas estratégicamente situadas en lo más alto y en la parte baja, colocadas de tal modo que, aunque cerrase la llave de paso superior, el agua que entraba normalmente por la boca inferior iba ascendiendo por la tubería; obviamente este montaje había de estar herméticamente cerrado o al menos lo más cerrado posible.

Además, en el interior de la bola de cierre superior había una campanilla, cuya introducción en el experimento había sido propuesta por Athanasius Kircher (1602-1680) y en la que los detalles técnicos de construcción y colocación habían estado en manos de Emmanuel Maignan (1601-1676) un clérigo francés a la sazón profesor de matemáticas.

Pues bien, esta estructura espectacular, casi de experimento circense, sirvió para darle la razón al matemático de la corte, y el agua detuvo su camino ascendente en 11 m = 18 brazas florentinas, la altura que Galileo adjudicaba a los sifones elevadores de agua.

La pregunta que surgía de inmediato era: ¿qué ocurría o que elemento se interponía entre el nivel de agua y la parte superior del dispositivo?

En la realización del experimento estuvieron presentes él, Kircher y Niccolò Zucchi (1586-1670) dos jesuitas de la élite intelectual europea, seguramente asistió también un amigo de Torricelli que entonces aún era bastante joven, Michelangelo Ricci (1619-1682), posteriormente  cardenal Ricci, y que por otra parte, es una figura clave en la biografía de Torricelli, además tanto Kircher como Zucchi fueron cruciales para la difusión de este experimento.

A la finalización del experimento, el resultado se explicó según dos posturas distintas, opiniones claras y contrapuestas que se correspondían con dos visiones conceptuales bien diferenciadas:

a) quienes afirmaban que la porción carente de agua en la tubería contenía aire (los aristotélicos); y
b) quienes sostenían que en la tubería había agua y nada más, el resto era puro y simplemente vacío.

Los partidarios de la opción aire aseveraban que quizá el aire procedía del agua, que seguramente estaba al comienzo en suspensión, o quizá también pudiera deberse a la imperfección de los materiales o de la propia construcción de la tubería lo que conducía necesariamente a filtraciones incontroladas y, por tanto, que habría que tener en cuenta…

La campanita se había accionado desde el exterior y el sonido se había percibido claramente, y este hecho servía de argumento a unos y otros.

A los aristotélicos, como Kircher, los reafirmaba en su idea de que había aire, pues se había propagado el sonido, y en consecuencia el jesuita así lo escribió y lo publicó.

Para los partidarios del vacío, el leve sonido no era prueba suficiente, pues la campanilla podía haber golpeado las paredes del tubo por alguna razón fortuita y fuera de control, lo cual era motivo suficiente para hacerlo vibrar.

Curiosamente Maignan que no era sospechoso de antiaristotelismo también pensaba entre las posibles causas del ruido que la campanilla podría haber chocado fortuitamente con las paredes de la bola, siendo este el origen del sonido exterior.

En fin que lo único sobre lo que todos estaban de acuerdo era sobre lo obvio, los 11 m de altura (18 brazas), ya que eso era un hecho visible para todos por igual y, por lo mismo, incontestable.

Entre los galileanos, también la explicación del resultado de este espectacular experimento se bifurcaba en dos vertientes claras; por un lado, estaban quienes con Galileo explicaban la altura alcanzada por la ‘fuerza del vacío’ y, por otro, los que sostenían que la altura máxima insuperable se debía a que el peso del aire impedía cualquier otra opción; entre estos últimos expertos destaca de manera importante el científico e ingeniero genovés Giovanni Battista Baliani (1582-1666) quien había sugerido al propio Galileo epistolarmente que el peso del aire atmosférico es igual al de la columna de 10,5 m de agua, y por eso solo podía sostenerla hasta esa altura.

En realidad la discrepancia entre Baliani y Galileo venía de lejos; de hecho, en 1630 el genovés, Baliani, había consultado al pisano, Galileo, acerca de la razón científica por la cual el agua no ascendía a través de un sifón que había construido para transportarla por una colina de aproximadamente 21 metros de altura en un acueducto de su ciudad (Génova), a lo que Galileo había argumentado proponiendo que la fuerza que ejercía el vacío impedía aspirar el agua a una altura superior a los 10,5 metros; en aquella época Baliani iba madurando sólidamente la idea de que el peso del aire atmosférico sobre la superficie de la masa de agua considerada (por ejemplo, un estanque) hace que el agua se eleve por el tubo de la bomba hasta el momento en que se equilibren ambos pesos.

El principal problema para aceptar esta posibilidad era de orden filosófico más que científico, ya que en la concepción aristotélica del mundo, como se ha visto, el aire no pesa, y Galileo si bien podía admitir que el aire, en efecto, como sustancia material pesa, concordaba en sostener que algo no puede pesar en sí mismo.

Baliani, habitante de una ciudad portuaria y seguramente muy acostumbrado a pensar en el mar y en términos marinos, sostenía con bastante rotundidad que los humanos habitamos en el fondo de un océano que es el aire que envuelve al planeta, y esta opinión se la escribió así a Galileo “vivimos sumergidos en un mar de aire”, en esta idea ya germinaba implícita aunque no fuese totalmente visible la noción de presión atmosférica, y Torricelli la retomó productivamente, en su famoso experimento barométrico.

Por otra parte, el ingeniero genovés Baliani mantuvo correspondencia con el pisano durante casi 25 años y su controversia con el científico, que nunca se cerró en sentido estricto, terminó porque la realidad de los hechos acabó dando la razón al ingeniero.

Referencias

—Galilei, G: Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze
—Herrera, R. M.: “Historia del experimento barométrico”. Pensamiento Matemático, Madrid, 2012
—Torricelli, E.: Opera geométrica