Занявшись изучением давления воздуха, Папен поставил своей целью отыскать быстрый и простой способ создания разрежения. Его увлекли опыты знаменитого немецкого физика Отто фон Герике над полушариями с выкачанным воздухом. Известие об этих «магдебургских полушариях», которые не могли разорвать двенадцать лошадей, быстро облетело всю Европу. Изучив насос, построенный Герике для выкачивания воздуха из полушарий, Папен принялся создавать собственный, более совершенный насос и очень быстро добился успеха.
Стало ясно основное направление работы Папена. Он не производил ни одного исследования, не делал ни одного опыта ради самого опыта. В каждом новом открытии Папен видел пока еще скрытую возможность его практического применения. Так, например, уже работая над своими первыми насосами, он мечтал о том, что, может быть, ему удастся таким путем создать машину, производящую полезную работу. Для этого он хотел использовать давление атмосферы. Он считал, что машина сможет поднимать тяжести, выкачивать воду…
Из опытов Торричелли, гениального ученика Галилея, из опытов Герике и Бойля, из наблюдений Гюйгенса и собственных исследований Папен уже знал, что воздух, окружающий землю, давит на нее с большой силой. Человеческое тело, например, испытывает такое давление, что, если бы оно не встретило изнутри противодействия такой же силы, человек был бы раздавлен в лепешку. Ведь стоило Герике удалить воздух из своих первых полушарий — и они были сплющены атмосферой, так как оказались недостаточно прочными. Торричелли с полной очевидностью доказал, что такое давление испытывает всякое тело. Он научился измерять это давление, а Папен был уверен, что можно научиться и управлять им. Для этого, по мысли Папена, нужно уничтожить противодавление, которое воздух оказывает самому себе. Иными словами, нужно научиться создавать пустоту. Тогда можно будет использовать огромную энергию, заключенную в атмосфере и пропадающую пока совершенно напрасно. Папену казалось, что добиться этого несложно.
Но действительность опровергла мнение Папена. Пришлось потратить два года на кропотливые опыты, прежде чем он мог прийти к сколько-нибудь удовлетворительным результатам. Описание своих работ Папен опубликовал в статье под названием «О новом опыте над безвоздушным пространством». Это было первым выступлением молодого ученого в печати. О нем узнал научный мир. Его работы обратили на себя внимание и заслужили похвалы естествоиспытателей новой школы. Научные связи Папена значительно расширились: он стал переписываться со многими учеными. В переписку с ним вступил сам Лейбниц. Этот замечательный ученый и философ приобрел к тому времени мировую славу. К мнению Лейбница очень прислушивались, и то обстоятельство, что он избрал своим корреспондентом Папена, сильно подняло авторитет Дени.
В самый разгар работ Дени над воздушным насосом, когда он искал наилучшие формы прибора, Лейбниц подал ему мысль использовать систему, ставшую потом известной всему миру под именем «поршня и цилиндра». Папен сразу оценил эту блестящую идею. Он немедленно бросил все остальное и принялся за осуществление такого прибора.
Он взял вертикальный пустотелый цилиндр B, закрытый снизу, и второй цилиндр A, внешний диаметр которого был равен внутреннему диаметру цилиндра B. При попытке вдвинуть второй цилиндр в первый Папен увидел, что это очень трудно, что нужно приложить большое усилие, чтобы продвинуть его хоть немножко. Находящийся в первом цилиндре воздух сопротивлялся движению поршня. Этот поршень как бы плавал на поверхности воздуха, заключенного в цилиндре. Но как только Папен открыл кран, поршень стал опускаться. Доведя его до дна цилиндра и закрыв кран, Папен убедился, что теперь поршень очень трудно вытащить обратно. Наружный воздух давил на него с огромной силой. И только когда Папен снова открыл кран, давление над поршнем и под ним уравновесилось, и поршень удалось свободно вынуть.
Проделав этот опыт, Папен стал обдумывать, как же использовать построенный им прибор. Он хотел заставить атмосферное давление работать. Вскоре он придумал приспособление, состоявшее из блоков, шнура и нескольких гирь. Перекинув шнур через блоки и прикрепив его конец к поршню A, Папен стал выкачивать из цилиндра воздух. И как же обрадовался он, когда увидел, что с удалением воздуха поршень опускается и тянет за собою шнур! На шнуре стали подниматься гири. Нужная Папену схема была найдена.