Tandis que certains physiciens s'occupaient, au moyen du baromètre (La pression atmosphérique), de rendre sensibles à l'oeil les variations de la pression atmosphérique, d'autres s'employaient à étudier l'air pour lui-même et à l'envisager comme un fluide, en le soustrayant en quelque sorte à l'espace fermé qui le contient.

La machine pneumatique de Guericke.
Si l'embarras d'un jardinier avait été l'occasion de la découverte du baromètre par Torricelli vers 1644 (Premières inspirations), c'est des méditations sur le vide que sortit l'invention de la machine pneumatique. Depuis des siècles, les philosophes avaient discuté à perte de vue sur le vide et le plein, sans réussir à s'entendre. Les uns admettaient le vide, les autres en repoussaient jusqu'à la possibilité. La première opinion avait pour défenseurs Leucippe, Démocrite, Epicure, Métrodore, etc.; la seconde était partagée par Aristote et les péripatéticiens. Mais les partisans de la même opinion étaient encore divisés entre eux. Ainsi, il y en avait qui entendaient par vide l'âme du monde ou l'esprit intangible de l'univers; tandis que les Stoïciens soutenaient que le vide n'existe qu'en dehors du monde, le confondant avec l'espace infini. Ceux qui niaient le vide l'identifiaient avec le néant, et faisaient intervenir Dieu même dans leur argumentation.

En passant en revue ces controverses stériles, Otto von Guericke, bourgmestre de Magdebourg , conçut,  dans les années 1640, l'idée, aussi simple que lumineuse, d'en appeler à l'expérience. Seulement, au lieu de s'égarer, comme l'avaient fait les philosophes, dans des sphères inabordables, il restreignit la question à notre atmosphère.

 « Là, disait-il, aucun espace ne reste vide : la place qu'un corps abandonne est aussitôt remplie par l'air. C'est ainsi que l'espace qu'un poisson occupait par son corps, est aussitôt envahi par l'eau, dès que celui-ci vient à le quitter. » 

Voici les démonstrations qu'en a le premier données le célèbre physicien.

Dans sa première expérience, Otto von Guericke se servit d'un tonneau assez solidement fermé pour que l'air du dehors n'y pût entrer; puis il le remplit d'eau et adapta à la partie inférieure une pompe, pensant qu'à mesure qu'il en retirerait ainsi l'eau par en bas, il se produirait en haut un espace vide. Trois hommes robustes étaient employés à manoeuvrer la pompe; mais pendant ce travail on entendait, sur tous les points du tonneau, des sifflements aigus : c'était l'air qui y pénétrait avec force pour remplir l'espace vide. Le but était donc manqué.

Guericke ne se laissa pas décourager : il refit l'expérience, en mettant un baril rempli d'eau dans un autre baril plus grand et également plein d'eau, et il opéra sur le premier vase comme dans l'expérience précédente. Mais cette fois encore il fut déçu dans son attente : le petit baril se remplit d'eau.

L'ingénieux et tenace expérimentateur se fit alors construire un globe en cuivre, susceptible d'être ouvert ou fermé en haut à l'aide d'un robinet; à la partie inférieure il adapta une pompe pour faire sortir l'air du globe, comme il avait fait pour le baril rempli d'eau; ce fut donc là une pompe à air : au lieu d'aspirer l'eau, l'instrument servait à pomper l'air. Deux hommes vigoureux étaient occupés à faire jouer le piston, lorsque tout à coup, au moment où tout l'air paraissait avoir été retiré, le globe de métal se contracta avec fracas, à la grande terreur de tous les assistants; on aurait dit un linge chiffonné avec la main (cum maximo strepitu omnium que terrore ita comprimebatur instar lintei quod manu conteritur). Guericke attribua la cause de cet accident à ce que le vase n'était pas un globe parfait, conséquemment incapable, à raison de l'inégalité de ses rayons, de supporter le poids de l'air, qui devait exercer tout autour une pression égale. Il eut donc soin de faire construire un globe exactement arrondi, portant, en haut, comme le premier, un robinet, et en bas une pompe ou seringue. Après un certain nombre de coups de piston, il s'assurait de la réussite de l'opération en ouvrant le robinet : aussitôt l'air se précipitait avec violence dans l'intérieur du globe. Puis il y fit de nouveau le vide, et laissa le globe dans cet état pendant deux jours. Au bout de ce temps il le trouva derechef rempli d'air, et il jugea que ce fluide ne pouvait s'y être introduit que par les points, incomplétement fermés, où le robinet de la pompe était adapté au globe de métal.

Instruit, mais non découragé, par tous ces insuccès, le patient et sagace physicien perfectionna son appareil et parvint ainsi, vers l'année 1650, à réaliser un mécanisme qui reçut le nom d'Antlia pneumatica, et qui porte aujourd'hui celui de machine pneumatique. En voici le dessin, copié d'après celui que l'inventeur a donné lui-même dans son ouvrage (Experimenta nova Mageburgica, 1672, p. 76).

Pour rendre la machine portative et plus facile à manier, l'auteur l'avait munie d'un trépied en fer. Le corps de pompe gh est en laiton, assujetti verticalement, par son extrémité supérieure amincie en tuyau n, avec la partie inférieure du vase arrondi L, en verre, où doit se faire le vide. Le piston s, fixé à une tige recourbée t, est mis en mouvement par le levier wu. Le fluide soutiré est rejeté en dehors par l'ouverture zo pratiquée en haut et sur le côté du corps de pompe. Le vase xx, où plonge le bec du globe-récipient L, est rempli d'eau, pour assurer la fermeture exacte du robinet qr.

Cet appareil primitif présentait encore bien des imperfections. Son inventeur s'ingénia de son mieux à les faire disparaître par des modifications nombreuses, dont les détails peuvent être ici passés sous silence. Mais nous ne saurions nous dispenser d'exposer sommairement le résultat de ses expériences.

Otto von Guericke se fit dès le début une idée exacte du genre de vide obtenu par la machine pneumatique. 

« La division de l'air ne se fait pas, disait-il, comme celle d'une matière solide. Celle-ci peut se réduire en parcelles excessivement petites, ainsi que l'espace qu'elle occupe; tandis que la moindre parcelle d'air, qui reste dans le récipient, remplit celui-ci tout entier : il n'y a de diminué que son élasticité. »

L'inventeur lui-même ne devait donc pas, comme on voit, croire à la possibilité d'obtenir un vide absolu. Sous le récipient, où il faisait le vide, - vide relatif - il vit des liquides, tels que l'eau, la bière, etc., d'abord former des bulles, puis entrer en ébullition et se réduire en vapeur : c'est ce qu'il appelait la régénération de l'air. Il expliquait la formation des nuages et des vents par la différence d'élasticité qui existe entre des couches voisines d'air, et, fort de ses expériences, il considérait les couches supérieures comme moins élastiques que les couches inférieures, si bien que l'atmosphère devait se terminer en un vide comparable au vide le plus parfait obtenu à l'aide de la machine pneumatique. De là il vint à distinguer l'atmosphère en deux parties; à la partie qu'il appelait air ou atmosphère sensible, il donna une hauteur d'environ 35 lieues (environ 150 km): c'est cette partie qui devait être plus particulièrement le siège des phénomènes de réfraction et des lueurs crépusculaires. Quant à la seconde partie, beaucoup plus ténue, il lui donnait une étendue de plus de 300 lieues 'environ 1300 km). L'atmosphère, à laquelle il attribuait une odeur particulière, spécifique, n'avait donc pas, suivant lui, une surface terminatrice proprement dite.

« Nous ne percevons pas, ajoutait-il, l'odeur de l'air, parce que nous y sommes constamment plongés depuis notre naissance; mais si quelqu'un venait de la Lune ou d'une autre planète  pour visiter la Terre, il sentirait l'odeur de notre atmosphère, comme un navigateur est averti du voisinage de la côte par les émanations qui s'en échappent. »

Il est une expérience qui, depuis Otto de Guericke, est répétée dans tous les laboratoires de physique pour démontrer l'élasticité de l'air, c'est celle d'une vessie fermée et aplatie, qui, placée sous le récipient, se gonfle à mesure qu'on fait le vide, et finit par y éclater. D'autres expériences, bien connues, sur la combustion et la respiration, sur le son dans le vide, ainsi que sur la force de cohésion due à la pression de l'air, datent de la même époque. Guericke en a le premier décrit tous les détails. Ainsi, il vit la flamme d'une bougie diminuer à mesure que le vide se faisait et finir par s'éteindre. Il en conclut

 « que le feu reçoit de l'air un aliment, qu'il le consomme, et qu'il ne peut plus vivre lorsque cet aliment vient à manquer (ignem ex aere aliquid alimenti accipere, ac proinde aerem consumere et sic propter defectum ulterius vivere non posse). » 

« Si l'air, disait-il, n'était pas pesant, aucune flamme ne serait pyramidale; les flammes seraient toutes rondes ou orbiculaires comme le Soleil. »

Le premier animal qui servit à l'expérience de la respiration dans le vide fut un moineau. Cet oiseau commença par respirer avec le bec à demi ouvert; puis, l'ouvrant plus largement, il se tint immobile jusqu'à ce qu'il tomba raide mort. La même expérience fut répétée sur des poissons, tels que brochets, perches et barbeaux ils périrent par suite d'une distension de la vessie natatoire, qui faisait gonfler leur corps démesurément.

Le même expérimentateur constata que des grappes de raisin peuvent se conserver longtemps dans le vide, qu'elles n'y changent pas de couleur, mais qu'elles perdent toute leur saveur.

Enfin, des expériences faites avec des clochettes et divers instruments de musique le mirent à même d'établir que là où il n'y a pas d'air, il ne se produit pas de son.

L'élasticité est de toutes les qualités de l'air celle qui exerça le plus l'esprit investigateur de Guericke. Il y revint souvent, et varia fort ingénieusement ses expériences pour montrer, entre autres, comment une bulle d'air peut, par sa seule élasticité, faire équilibre à tout le poids de l'atmosphère. Deux hémisphères en cuivre, d'environ un tiers d'aune de diamètre, parfaitement adaptés l'un à l'autre, et dans lesquels il avait fait le vide, ne furent disjoints que par la force de seize chevaux et avec un bruit semblable à celui d'un mousqueton. Cette expérience, connue sous le nom d'hémisphères de Magdebourg, a été souvent répétée depuis. Le P. Gaspard Schott  (1608-1666) fit le premier connaître, dans ses Mechanica hydraulico-pneumatica (1657, soit 15 ans avant la publication de l'ouvrage de Guericke), cette expérience à grand spectacle sous le nom de Mirabilia Magdeburgica. On parla avec admiration de la série de ces expériences, dites donc, de Magdebourg, comme on parlait avec épouvante de la prise et du sac de Magdebourg pendant la guerre de Trente Ans. Le célèbre bourgmestre de la ville qui venait de renaître de ses cendres reçut, en 1654, l'invitation de faire fonctionner la machine pneumatique devant l'empereur Ferdinand III et les princes allemands reunis à la diète de Ratisbonne. La publicité faite à ses expériences eut aussi un écho en Angleterre, où, avec Boyle, elle déboucheront non pas sur une compréhension approfondie du vide ou sur la mise en évidence du poids de l'air, mais sur des propriétés nouvelles de l'air  : son élasticité et sa compressibilité.

L'élasticité et la compressibilité.
Robert Boyle, qui entretenait un commerce épistolaire avec le P. Schott, avait été un des premiers instruit de l'invention et des expériences d'Otto von Guericke. Après avoir constaté les défauts de l'appareil qu'on lui fit connaître, il entreprit, avec le concours de R. Hooke, de le perfectionner et il donna, en 1659, la description de son appareil perfectionné. C'est pourquoi R. Boyle passe généralement, en Angleterre, pour l'inventeur de la machine pneumatique, quoiqu'il se fût lui-même empressé de proclamer loyalement le droit de priorité du physicien allemand, dans la préface de ses Nova Experimenta physico-mechanica de vi aeris elastica. Les perfectionnements qu'il y apporta consistent surtout dans la disposition des soupapes et dans la facilité à mouvoir le piston : une seule personne pouvait, avec une faible dépense de force, faire le vide, qu'on appelait à tort le vide de Boyle, vacuum Boylianum.

Boyle ne se borna pas seulement à répéter les expériences magdebourgeoises, il en imagina de nouvelles. Pour faire bien comprendre l'élasticité de l'air, il comparait ce fluide à une éponge qui, après avoir été réduite, par l'effet d'une compression, à un très petit espace, vient, dès que la compression a cessé, reprendre l'espace plus grand qu'elle occupait d'abord. Le nom même d'élasticité signifie force de ressort, si on le fait venir, avec Boyle, du grec elater = ressort ou moteur.

Le physicien fit particulièrement mettre en lumière l'importance du fait, fort étrange, qui montre qu'une petite portion d'air, emprisonnée dans un vase, peut faire équilibre à une colonne de 28 pouces de mercure. Il l'explique très bien en disant que cette petite portion d'air avait, au moment où on l'emprisonnait, la même densité et la même élasticité que l'air extérieur, libre, et que c'est par son élasticité, équipollente à la pression extérieure de l'atmosphère, qu'elle fait équilibre à la colonne de mercure. Cette explication fut repoussée par presque tous les physiciens d'alors : présenter l'élasticité comme égale à la pression leur parut une innovation intolérable, bien qu'elle fût sanctionnée par l'expérience. Parmi ses adversaires,  Boyle cite particulièrement François Linus, professeur de physique à Liège. Le vif de la querelle portait sur le fait que voici :

Un tube de verre de 40 pouces de longueur, ouvert aux deux bouts, peut être complètement rempli de mercure par le bout supérieur, tandis qu'on ferme le bout inférieur avec le doigt. Mais si ensuite on tient le bout supérieur fermé avec le doigt, tandis qu'on retire le doigt du bout inférieur, on verra la plus grande partie du mercure sortir du tube, pendant que le reste du métal liquide s'y maintient à 28 pouces; en même temps on sentira le doigt qui bouche l'extrémité supérieure, vivement tiré ou pressé en dedans du tube. Linus expliqua ce phénomène par l'action d'une espèce de cordonnet mystérieux, funiculus, et il prétendait que ni par sa pression ni par son élasticité l'air ne pourrait produire un pareil effet.

Pour réfuter la théorie imaginaire de Linus, Boyle fit une série d'expériences intéressantes sur la diminution du volume de l'air à mesure que son élasticité augmente par la compression. Ces expériences le conduisirent à la découverte d'une loi, que Mariotte allait trouver, indépendamment, presque en même temps.

« La première question qu'on peut, dit-il, faire là-dessus, est de savoir si l'air se condense [= se comprime] précisément selon la proportion des poids dont il est chargé, ou si cette condensation suit d'autres lois et d'autres proportions. Voici les raisonnements que j'ai faits pour savoir si la condensation de l'air se fait à proportion des poids dont il est pressé. Étant supposé, comme l'expérience le fait voir, que l'air se condense davantage lorsqu'il est chargé d'un plus grand poids, il s'ensuit nécessairement que si l'air, qui est depuis la surface de la Terre jusqu'à la plus grande hauteur où il se termine, devenait plus léger, sa partie la plus basse se dilaterait plus qu'elle n'est, et que s'il devenait plus pesant, cette même partie se condenserait davantage. Il faut donc conclure que la condensation qu'il a proche de la Terre se fait selon une certaine proportion du poids de l'air supérieur dont il est pressé, et qu'en cet état il fait équilibre par son ressort précisément à tout le poids de l'air qu'il soutient. De là il s'ensuit que si l'on enferme dans un baromètre du mercure avec de l'air, et qu'on fasse l'expérience du vide [1], le mercure ne demeure pas dans le tuyau à la hauteur qu'il avait; car l'air qui y était enfermé avant l'expérience fait équilibre par son ressort au poids de toute l'atmosphère, c'est-à-dire de la colonne d'air de même largeur, qui s'étend depuis la surface du vaisseau jusqu'au haut de l'atmosphère, et par conséquent le mercure qui est dans le tuyau ne trouvant rien qui lui fasse équilibre, descendra; mais il ne descendra pas entièrement car, lorsqu'il descend, l'air enfermé dans le tuyau se dilate, et par conséquent son ressort n'est plus suffisant pour faire équilibre avec tout le poids de l'air supérieur. Il faut donc qu'une partie du mercure demeure dans le tuyau à une hauteur telle, que l'air qui y est enfermé étant dans une condensation qui lui donne une force de ressort capable de soutenir seulement une partie du poids de l'atmosphère, le mercure qui demeure dans le tuyau, fasse équilibre avec le reste; et alors il se fera équilibre entre le poids de toute la colonne d'air et le poids de ce mercure resté (dans le tube), joint avec la force du ressort de l'air enfermé. Or, si l'air doit se condenser à proportion, des poids dont il est chargé, il faut nécessairement qu'ayant fait une expérience en laquelle le mercure demeure dans le tuyau à la hauteur de 14 pouces, l'air qui est enfermé dans le reste du tuyau soit alors dilaté deux fois plus qu'il n'était avant l'expérience, pourvu que dans le même temps les baromètres sans air élèvent leur mercure à 28 pouces précisément. » 

« Nous nous servîmes, dit-il, d'un tuyau de 40 pouces, que je fis remplir de mercure jusqu'à 27 pouces et demi, afin qu'il y eût 12 pouces et demi d'air, et que, étant plongé de 1 pouce dans le mercure du vaisseau, il y eut 39 pouces de reste, pour contenir 14 pouces de mercure et 25 pouces d'air dilaté au double. Je ne fus point trompé dans mon attente; car le bout du tuyau renversé étant plongé dans le mercure du vaisseau, celui du tuyau descendit, et, après quelques balancements, il s'arrêta à 14 pouces de hauteur, et par conséquent l'air enfermé, qui occupait alors 25 pouces, était dilaté du double de celui qu'on y avait enfermé, qui n'occupait que 12 pouces et demi. » (De la Nature de l'air, La Haye, 1740).

« Prenez, dit-il, un tuyau de verre recourbé ABC, fermé au bout C, et ouvert à l'autre A; versez-y un peu de mercure jusqu'à la hauteur horizontale DE, afin que l'air enfermé CE ne soit ni moins ni plus dilaté que celui qui est dans l'autre branche; car si le vif-argent était un peu plus haut dans une des branches que dans l'autre, l'air y serait moins pressé. Il faut que la hauteur EC soit médiocre, comme de 12 pouces, telle qu'on l'a supposée en cette figure; et l'autre DA, tant grande qu'on pourra.  Le mercure étant donc de part et d'autre à la même hauteur vers D et E, et n'y ayant plus de communication de l'air EC avec celui de DA, versez par le bout A, avec un petit entonnoir de verre, du mercure nouveau, prenant garde de ne point faire entrer d'air dans l'espace CE : vous remarquerez que le mercure montera peu à peu vers C, et condensera l'air qui était en CE, et que si EF est de 6 pouces, FG étant une ligne horizontale, le mercure sera monté dans l'autre branche jusqu'en H, si ce point est distant de 28 pouces du point G, et que les baromètres soient alors à la hauteur de 28 pouces dans le lieu de l'observation; car s'ils n'étaient qu'à 27 et demi, aussi GH ne serait que de 27 pouces et demi. Or, en cet état l'air en FG est pressé par le poids de l'atmosphère qu'on suppose égal à celui de 28 pouces de mercure, et encore des 28 pouces qui sont en l'espace GH, et par conséquent il est chargé d'un poids double (de deux atmosphères) de celui dont est chargé l'air qui est dans le lieu où se fait l'expérience, et qui est semblable à celui qui était en EG avant qu'il fût condensé par le poids du mercure GH. On voit donc manifestement dans cette expérience que l'air EC a suivi en sa condensation la proportion des poids. On trouvera la même proportion dans les autres expériences en faisant le calcul en cette sorte : Il faut prendre pour premier terne la somme du poids de l'atmosphère et du mercure qui sera monté plus haut que le bas de l'air dans la branche EC; pour second terme, le poids de l'atmosphère, 28 pouces de mercure; pour troisième, la distance EC, et le quatrième proportionnel sera l'espace ou hauteur où se réduira l'air enfermé dans le tuyau EC : si l'air était seulement réduit à l'espace IC de 8 pouces, on trouverait que le mercure serait dans l'autre tuyau seulement 14 pouces plus haut que la ligne horizontale IL. 

Or, ces 14 pouces avec les 28 de l'atmosphère font 42. Il faut donc dire suivant cette règle : 42 pouces est à 28 pouces comme l'étendue de l'air EC est à l'étendue IC. Si on voulait réduire ce même air à l'espace MC de 3 pouces, qui est le quart de EG, il faudrait mettre 84 pouces de mercure dans la branche DA, au-dessus de la ligne horizontale MN, et on trouverait cette proportion par le calcul suivant : MC, 3 pouces, est à ME, 9 pouces, comme 28 pouces, poids de l'atmosphère, est à 84; car, en changeant, 84 sera à 28 comme 9 à 3; et, en composant, 84 plus 28, c'est-à-dire 112, sera à 28 comme 9 plus 3, c'est-à-dire EC, 12 à 3. Et si l'on voulait savoir quelle hauteur de tuyau il faudrait pour réduire cet air en l'espace OC de 1 pouce, on dira : OC, 1 pouce, est à OE, 11 pouces, comme 28 pouces de mercure à 308, poids de l'atmosphère : 308 sera la hauteur verticale qu'il faudra donner au mercure au-dessus du point O ou P; par où l'on connaîtra que, pour faire cette expérience, il faut que la branche DA soit plus haute que 308 pouces, c'est-à-dire qu'elle soit d'environ 320 pouces, afin qu'il reste un espace au-dessus du mercure pour empêcher qu'il ne verse. » (Traitement du mouvement des eaux et des autres corps fluides, 2e parie, 11e discours, Paris 1690).

« la condensation de l'air proportionnellement au poids qu'il supporte. »

C'est ce qu'il appelle une règle de la nature. Non seulement il se garde bien de lui donner le nom de loi, mais il est loin de lui supposer l'extension qu'on lui a prêtée par la suite. Mariotte n'appliquait cette règle de la nature qu'à l'air. Et bien que l'on ait rapidement reformuler sa loi en disant, que sous une même température, les volumes des gaz sont en raison inverse des pressions qu'ils supportent; Mariotte lui-même ne parle pas même de l'action de la température, alors qu'il savait parfaitement que la chaleur dilate les corps; il s'est juste contenté de faire varier les pressions dans des limites peu étendues.

Parent, Maraldi, Cassini le jeune refusèrent d'admettre « que l'air se condense à proportion des poids dont il est chargé ».  Parent alla jusqu'à nier l'élasticité de l'air. 

« Cette élasticité, disait-il, n'est qu'apparente : elle ne dépend que des particules d'éther, qui se trouvent dans les interstices des particules de l'air ». 

Avec le progrès de la physique, le fait général que Mariotte avait présenté, d'une façon assez restreinte, comme une règle de la nature, est devenue la loi de Mariotte, sous cette forme beaucoup trop générale : La température restant la même, le volume d'une masse donnée d'un gaz quelconque est en raison inverse de la pression qu'elle supporte.

Van Marum reconnut l'un des premiers que l'on s'était trop empressé d'étendre aux autres gaz ce que Mariotte n'avait appliqué qu'à l'air (qu'on suppose encore à l'époque être un corps simple). Ainsi, il vit, sous les mêmes pressions, le gaz ammoniac diminuer de volume beaucoup plus vite que l'air, et devenir liquide quand l'air fut à peine réduit au tiers de son volume. Cette question fut plus tard reprise et développée par d'autres physiciens.

Bernard Tyburce, Une étrange histoire de l'air, Ellipses Marketing, 2010. - L'air est une substance fantomatique et fuyante qui échappe à nos sens et se répand partout, se cachant, indécelable, combiné ou libre, en tous les arcanes de la nature, de la matière inerte au vivant. Des philosophes grecs aux savants de la nouvelle science classique et des Lumières, en passant par les alchimistes médiévaux, l’air a joué un rôle clef dans l’histoire des idées et des concepts : cosmologie aristotélicienne et théologie céleste thomasienne, chute des graves galiléenne et conquête du vide pascalienne, tourbillons cartésiens et force gravitaire newtonienne, oxygène lavoisien et fermentations pasteuriennes, atomisme daltonien et thermodynamique moderne. Usant des vertus épistémologiques de l’air, ce livre est une invitation à un long voyage à travers le temps pour y découvrir l’histoire des sciences et des savoirs. Voici, avec ses merveilleux épanchements et ses mystérieuses exhalaisons : Une étrange histoire de l’air. (couv.).