气压计

在十七世纪中叶之前，水在一台抽水机的轴中上升这类空吸现象一般都

归因于据说大自然具有的憎恶真空的脾性。然而，伽利略于 1638 年注意起当时已经知道的一个奇特的事实：一台普通抽水机的轴中，水上升到超过外部水面 32 英尺之后就不再上升了。

这个观察导致伽利略的学生托里拆利去探究，这种所谓的恐真空性

（horror vacui）到底能把约比水密十四倍的汞提到多高。他猜想，这个高度大约只有水所能升起的高度的十四分之一。维维安尼根据他的建议做了这个实验，结果证明托里拆利的猜测是正确的。这两位实验家 1643 年共同做实验时所应用的设备示于图 50（Esperienza dell’Argento vivo,Hellnann’ s Neudrucke，N0.7）。这是一根约 2 码长的玻璃管，一端封闭，里面充有汞。开口端用手指塞住，然后把管子倒置，手指塞住的那一端浸入一个广口的盛有汞的容器。当移去手指时，管内汞面便下降到容器内汞面以上约 30 英寸的高度上停住。管于顶部留下一个空虚空间，后来得名“托里拆利真空”。托里拆利猜想，汞柱被良由汞面上的大气的压力平衡住了；他把汞柱高度日常的微小变动归因于大气压的变化。托里拆利在 1647 年的夭折使他未能证实这个假说，而把它留诸他人；恐真空性之说是根深蒂固的，因此只有在巴斯卡和盖里克做了令人信服的种种实验之后，这种谬见才被逐出物理学。

图 50—托里拆利的气压计

巴斯卡通过墨森获悉托里拆(93)利的实验，并亲自再用汞和水重复做了这种实验。他起先倾向于把此结果归因于恐真空性，但后来他相信托里拆利的假说，而待到做了一个关键性的实验之后，他就更其对之深信不疑了。关于这个实验的构想，他可能受惠于笛卡尔。这个实验于 1648 年 9 月在巴斯卡的指导下由他的姻兄弟佩里埃进行（Récit de la Grande Expéience del’ Equilibre des Liqueurs，Paris，1648，Hellmann's Neudrucke,No.2）。沿着奥弗涅山脉多姆山的山坡从山脚到山顶设立若干个观测站，向上依次在每个站上装置一个托里拆利气压计，每次用的管子和汞都相同。在每个站上测量汞的高度，汞的高度随着站的高度增加而递减。同时在山脚下设置第二个气压计，由另一个观测者不时读取测量结果，发现有小的变化。气压计高度随同如此建立的大气压而发生的变化表明两者之间有密切的联系。翌日佩里埃又在克莱蒙最高的塔的脚下和塔顶重复了他的观察，得到了肯定的结果但不大明显；后来巴斯卡在巴黎的高层大厦上亲自做了这个实验。尔后，这个时期的科学会社的成员们都把做这种实验当作一种爱好。

佩里埃在向巴斯卡汇报时建议，用数字列表表明气压计高度随观察地高度的变化，这表可用来确定大气在地球上空延伸的高度。巴斯卡提出把气压计用作为测量高度的仪器。他还估计出全部大气的重量为 800 亿亿磅。哈雷后来以玻义耳定律为理论根据，列出了气压对高度的表；这样，他还估计出了大气的广表，并说明怎样结合运用这种表和气压计来测量山的高度，但这种测量直到十八世纪初才进行。

罗伯特·玻义耳约在 1659 年用实验证明，气压计流体的高度取决于外部压力（New Experiments Physico-Mechanicall,1660）。他在其抽气机的接受器中设置一个气压计，发现液柱随着空气抽去而下降，随着重新充入空气而回升。

奥托·冯·盖里克曾制造过一种水气压计，但不清楚他是独立创制还是模仿托里拆利的（Experimenta Nova，etc.，1672）。他发现，利用一个抽

空的接受器能够通过空吸作用把水从地面升高到(94)他住房的第三层，但升不到第四层。为了精确地确定水所能上升的高度，盖里克设什制造了图 51 所示的设备。它由四根黄铜管 ab、cd、ef、gh（1）首尾相连地级联成一个垂直的长管（11），上部端末为一个玻璃接受器 ik（如 IV 中放大示出）， 下端为一旋塞，浸在一个盛水容器 mn 之中。开始时旋塞关闭，管子全部长度bi 和接受器均充以水。然后打开旋塞，于是管子中的水便下沉到一定的高度，这可以从玻璃接受器的边上观察，由浮在水面上的一个木头小人的伸出字臂指点一个带刻度的标尺而作出指示。这时就可以借助铅垂线来确定管中水面高度和容器中水面高度之差。

图 51—盖里克的水气压计

盖里克将水的上升归因于大气压力以及因气压变化而引起的水面高度的日常变动。他对这种变动作了长期的研究，试图把这种变动同天气变化联系起来。他曾根据气压的突然下降预报出 1660 年的一次严重风暴。十七世纪乃至后来都对气压计高度和天气间的关系作了大量研究，产生了许多猜测。其他人如玻义耳、马里奥特和哈雷等曾对气压与降雨量等等的关系作过比较粗糙的力学解释。

图 52—奥托·盖里克

后来人们对托里拆利的原始形式的气压计作了修改，使它更加小巧，便于携带，或者使它测量更为精确。最初的改良是虹吸气压计，它省去了汞槽， 管子的开端弯过两个直角，用闭支管和开支管中的液面高度之差来测量大气压。阿蒙顿于 1665 年（Remar- ques et expériences physiques，p.121） 提出一种气压计，它朝着闭端方向狭下去，适合于海上使用（见图 53）；后来于 1688 年（ActaEruditorum，P.374）又提出了另一种气压计，气庄由若干汞柱相继平衡，这样就缩短了仪器的高度（图 54）。在莫兰的气压计（以拉马齐尼的气压计为基础）里，管子倾斜上升，因此大气压的微小变化在管子中引起相当大的汞柱位移。另一种气压计也依据这种原理，但管子呈螺旋形上升。遵照笛卡尔的建议，惠更斯试图提高气压计对气压变化的灵敏度， 为此，他除汞而外还同时应用例如水或酒精之类比重较小的液体。

(95) 所谓的胡克轮式气压计（ Micrographia ， The Preface,and Wprat,H.R.S.,P.173）属于最著名的气压计之一。胡克用一个泡 AB（见图55），它有一个 21/2 英尺长的管子 CD，端末粘结一个倒置的虹吸管 DEF，后者在 E 处有一个开口，并从 E 点再向上伸出大约 8 英寸。他把整个装置固装在一块板上，沿着板的长度从与泡的中心平齐的直线 XY 开始刻度，以一英寸和十分之一英寸分度。他然

图 53—阿蒙顿的海用气压计图 54—阿蒙顿的复式气压计图 55—胡克的轮式气压计

后用蜡或水泥把 F 密封，将这装置倒置，再用一个插在 E 处开口的漏斗向饱和管注入汞，并不时摇动这装置以消除气泡。然后他把 E 处的开口密封，

按竖直位置安放这仪器；再打开管子的下端，用一根虹吸管从开口支管抽出足够的汞以使闭合支管中的液面下(96)降到 XY。然后，他在管子 EF 或者附加的木板上刻度，每一分度按相当于管子两个支管中的汞面之差变化 1 英寸。继之他把一个带刻度的圆环 MNoP 固定在仪器构架上，圆环中央装有一个能绕轴灵活转动的圆筒 I，后者带有一根轻的指针 KL，在刻度圆坏上面。这圆筒（其周长两倍干管子 EF 的一个分度之长）上绕有一根丝状的线，两端各有一个小的钢质重物，其中较重的一个放在管子 EF(97)的汞面上，而另一个则自由悬置；“利用这种装置，黍的高度之任何最微小的变化，均将由小指针 KL 的来回运动明显地表现出来。”胡克后来想出了一种方法（说明和图示见 Phil, Trans，Vol.I,No. 13），把指针和标尺使用于由插在汞槽里的管子构成的普通气压计（图 56）。指针仍象前面一样由一个重物的升降来启动， 但现在这重物放在槽内的汞的自由液面之上。

图 56—胡克的简化轮式气压计

(98)斯蒂芬·格雷于 1698 年（Phil.Trans.,No， 237，P.45）提出利用移测显微镜和测微计的旋转来极端精确地测读汞面高度（图 57）。

然而，这些气压计和别种更为离奇的气压计大都不适用于科学目的，而提高精确度的途径是改进仪器的读出方法，并考虑到诸如汞的热膨胀等因素所引起的各种误差。

图 57—格雷的带显微镜和测微计的气压计

似乎是莱布尼兹于 1700 年前后在写给他的朋友的信中，最早提出无液气压计的原理，其中完全省掉了液柱。

抽气机(99)

约在十七世纪中期由奥托·冯·盖里克发明的抽气机对于气体物理性质的研究，具有极关重要的意义。

图 58—盖里克的第一台抽气机

盖里克于 1602 年出生于马格德堡的一个贵族家庭，1686 年死于汉堡。他早年攻读法学，后来改学数学和力学；三十年战争①大动乱时期，他大部分时间致力于帮助德国各个城镇巩固城防。当 1631 年梯里的军队劫掠马格德堡时，盖里克仓惶出逃，仅以身免。但后来他又返回故乡，帮助重建和设防， 并当上了市长。盖里克也赞同许多当时流行的哲学概念，而由于受有关真空问题论争的影响，结果他投身于气体力学的研究；不过，他的工作的特色在于重视实验，这在当时的德国还是新鲜事；他的参与为实验科学在北欧的兴起开辟了道路。

图 59—盖里克的第二台抽气机

现在无法肯定盖里克发明抽气机的确切日期，不过这个日子(100)不可能晚于 1654 年，那年他公开演示了抽气机的本领。现在有理由推断，他的全部

研究可能是在 1635 年和 1645 年间进行的。他不断改进了这种仪器的样式。最早的几种设计得非常简单（见图 58）。第一台抽气机是一只木桶，缝隙用

沥青妥善填密，里面充入水，而水再用有两个活门的黄铜泵抽空。但当水抽空后，仍可听到空气穿过木桶微孔的声音。当把这木桶完全密闭在一个更大的也盛有水的木桶里时，结果仍旧这样。因此，盖里克放弃使用木质容器， 改而试图抽空铜球。他直接用泵抽出铜球中的空气，而不再事先注入水（见图 59）。

图 60—盖里克的马格德堡半球实验（I）

这种劳动太繁重了。而且象盖里克所认识到的那样，由于外部空气的压力以及容器没有制成真正的球形，所以当抽空达到一定程度时，这球便崩解。然而，盖里克又制成了一种没有这个缺陷的铜球，并且成功地获得了相当高的真空度。这一定是 1654 年以(101)前的事，因为那年他曾向在雷根斯堡召开的帝国议会表演了一些引人注目的气体实验。其中给人留下最深刻印象的是著名的“马格德堡半球”。两个空心的青铜半球边沿紧密结合，通过装在一个半球上的管闩把里面抽空，然后再关闭这管闩。每个半球都套上一支八匹马的马队，沿相反方向驱赶这两支马队，可是它们拉不开这两个半球，只要管闩保持关闭。（图 60）

图 61—盖里克的马格德堡半球实验（Ⅱ）

另一个实验用砝码表明了，需要多大的力才能把这种抽空的球的两半分开。（图 61）

图 62—空所的重量

盖里克用他的抽气机还做过许多其他有趣的实验，罗伯特·玻义(102) 耳后来比较透彻地研究过这些实验所涉及的种种问题。盖里克用实验证明空气是有重量的；他用天平秤一个容器在抽空前后的重量（图 62），表明它抽空后比充满空气时轻。他还约略估计了空气密度。盖里克观察到抽空容器的视在重量逐日变动，他正确地将之归因于大气压的微小变化以及大气对这悬浮容器所产生的阿基米德上推力。他还注意到，当让一个玻璃容器里的空气骤然扩散进一个抽空的容器中时，这个玻璃容器里会形成一片湿气云，呈现虹霓的颜色。

盖里克原先并不打算记述他的发现，但后来由于遭到反对，遂不得不这样做。他的书于 1663 年写成，但初次发表是在 1672 年，书名是《马格德堡的新的真空实验》（ExPerimenta Nova （ut voca- ntur）Magdeburgica de Vacuo Spatio〕。这本书全面地论述了宇宙学，但最主要的部分是第三篇， 题为《论专门实验》（De propriiSexperimentis）。它是最有影响、最有教益的早期物理学专著之一（F. 丹内曼的德文译本收入奥斯特瓦尔德的Klassiker，No. 59）。

然而，最早发表的对盖里克的抽气机及其气体实验的论述，是耶稣会教士卡斯帕尔·朔特（1608—66）的著作。他是维尔茨堡大学的物理学和数学教授。朔特曾应盖里克的要求用他的抽气机重做了他的实验。朔特在很大程度上是出于对新兴实验科学的同情，但他决没有摆脱盖里克所极力反对的恐真空性的束缚。然而，他对活跃德国的科学研究做出了一定的贡献。象默森一样，他通过同许多研究者通信而促进了新观察和新发现的消息的传播；他还提出了一些新问题，使论争继续下去。朔特对盖里克研究工作的论述发表

于他的《流体一气体力学》（Mechanica Hvdraulico-Pne-unlatica）（1657 年）。正是这部著作激励罗伯特·玻义耳制造出一台抽气机，使他的宿愿得遂。

玻义耳在他的《关于空气弹性的新的物理一力学实验》（NeWExperiments Physico-Mechanicall touching the Spring of the Air）（牛津，1660 年） 一书中论述了这种仪器以及他用它做的实验。实际上，这种抽气机是在罗伯特·胡克于 1658 或 1659 年做了几次尝试之后才设计和制造出来的，象玻义耳正式承认的那样。它标志着盖里克的模型从多方面得到了改进。例如，客器可以花较轻的劳力抽空；容器顶端有一个开口，可通过它放进物体，然后又可以用一个气密塞关闭。示于图 63 的这种机器主要由一个玻璃客器和一个用以抽空容器的泵组成，整个装置由一个(103)木架支承，容器有一个管闩， 开口通入泵桶。后者由一个黄铜圆筒和一个皮柄状的活塞组成；活塞与圆筒密切配合，由一个曲柄通过齿条和小齿轮升降。圆筒上有一个孔作为阀门， 可以用一个黄铜塞塞住，也可以不塞住。在泵的下冲程，管闩打开，阀门关闭，空气便从(104)客器中抽出；在上冲程，管闩关闭，阀门打开，于是空气从抽气机排出，以后逐次冲程的情况都是这样。

图 63—玻义耳的第一台抽气机图 64—玻义耳的第二台抽气机

玻义耳的第二个抽气机与第一个差不多，只是圆筒浸在水中，玻璃容器放在抽气机旁的一块搁板上。抽气通过一根管子进行，管子则粘给在搁板的一个缝槽里，它的通气口向上伸入待抽气的容器。管闩放在圆筒和容器之间。

玻义耳的第三台抽气机有两个泵桶。BB 是两个空心活塞，两个阀门向外开口让空气逸出，而阻止空气重新回进来。DDDD 是连杆。GGG 是同铁橙柑连的绳索，并经过滑轮 H。圆筒底部的两个阀门 LL 朝里开口。接受来自管子 MM 的空气，管子 MM 经(105)由 PPQQ 到达板 O，后者中央开有一个孔，放置容器例如 R。整台机器由一个木架支承；水通过 Q 在板 O 上的开口注入，注入的水量略微超过注满圆筒所需的量。司泵者站在铁橙 EE 上，用脚轮番抬起和踏下每个铁镫。

图 65—玻义耳的第三台抽气机

玻义耳和胡克用这种设备做了大量实验。他们注意到，当容器内达到部分真空时，小动物窒息而死；蜡烛的火焰变蓝而迅即熄灭；灼热的煤失去红色的光泽，但装入手枪的弹药仍能击发；悬挂手表的走时声音再也听不到了， 但磁石对指南针的引力仍不受影响。他们发现，部分充入空气的密闭球胆放在容器里后随着抽出空气而逐渐膨胀，最后破裂，而热的液体会自发沸腾。在沃利斯、沃德和雷恩等人在场的情况下，玻义耳用实验证明，气压计中的汞柱系由大气压支承。为此，他在容器里设置一个气压计，其顶端穿过塞子， 观察汞住随着空气抽出而逐渐下降，而当空气再度充入时又回升。通过在抽空的容器里称量球胆中所包含的空气，玻义耳还大略估算出空气的密度。放电情形，但他未能作出解释。

(106)在玻义耳工作的激励下，盖里克制造了一台如同图 66 所示的改良的抽气机。这仪器装在一个三脚架上，后者用螺杆固装于地面。泵桶 fg 固定

在三脚架三条腿之间的适当高度上，活塞用杠杆操纵。泵桶端部是一根管子n（图 66），容器的锥端插入此管之中，管子下面是一个皮阀门。在泵的下冲程中，这个阀门打开，让空气从容器进入泵桶；在上冲程中，它关闭，空气通过外阀门排出。当这设备装配好，缝隙都填严后，漏斗状的接受器注入水以尽可能(107)地阻止空气重新进入容器。为了同样的目的，泵桶的下端浸在一个盛水器里（图 66）。

图 66—盖里克的改良抽气机

在惠更斯 1661 年访问伦敦期间，玻义耳唤起了他对抽气机的兴趣；那年他自己也制造了一台抽气机，他后来用它做了许多实验。他的仪器以玻义耳的仪器为基础，但作了不少改进。例如，盖里克和玻义耳的瓶形容器代之以圆盖形的容器，倒置在一个枱面上，并用软水泥使之与枱面保持密切接触。这一改进似乎是惠更斯作出的（见他 1661 年 12 月 21 日的信，CEuvres compètes，Vol.III，p.414）。惠更斯似乎还有计划地用一个气压计放在容器里作为测试抽空程度的工具（见 E.Gerland in Wiedemann's Annalen， 1883，Vol.XIX，p.549）。十七世纪下半期抽气机又得到进一步的改进，其中有帕潘引入的双通接头；还有可能也是帕潘引入但豪克斯贝使之完善的双圆筒泵，豪克斯贝所设计的抽气机在长时间里一直被奉为标准式样。

图 67—玻义耳的空气弹性实验(108)

玻义耳把他原始的抽气机奉献给皇家学会，几年以后他又造了一台自己使用。他在其《关于空气弹性和重量的新的物理—力学实验续篇》（ A Continuation of New Experiments Physico-Mecha- nical touching the Spring and Weight of the Air）（牛津，1669 年）一书里介绍了他的进一步研究。他又重做了早期的许多实验，还做了些新的实验，证明在一个抽空的容器中，摩擦能够生热，用钢在糖上摩擦会产生火花。一束羽毛在容器中象一块石头一样坠落，而当通过转动一个外部手柄以操纵弹簧钟舌去撞击一个悬在容器中的钟时，几乎听不到什么声音。这些实验有几个是为了证明当其他条件相同时，空吸或者压力能够使液体升起的高度与液体的比重成反比。根据这些实验，玻义耳利用一种和盖里克的水气压计有些相似的装置试验了水所能升起的高度（见图 67）。他让一根上部用玻璃制的管子依靠一所房屋的墙来支承。这管子的下端浸在一个有水的盛器里，上端同一台抽气机的容器相连，抽气机装在这房屋的平屋顶上，离地面大约 30 英尺。玻义耳把

水升高到离盛器中水面 33 英尺 6 英寸高的高空，不过继续应用泵未产生进一步的效果。通过比较水气压计和汞气压计两者液柱同时达到(109)的高度，玻义耳得出了这两种液体的相对密度的改良值。