空气的压力

空气是人类赖以生存的重要环境之一。它有许多重要的性质，如重量、成分、密度以及压力等，然而，在很长的一段时间内人们并不了解空气。17 世纪的欧洲，人们曾经围绕着“空气是否具有压力”的问题，展开过一些争论。

空气究竟有没有压力？要弄清这个问题，单纯的理论上的辩论是不能解决问题的，孰是孰非，还得由科学实验来判断。

1640 年，在意大利佛罗伦萨市，有一个名叫托斯坎斯基的人，他在自己的住宅里挖了一口深井，装上了一架由著名工匠制造的强有力的抽水机，打算用它来抽出深井中的水。然而，说也奇怪，抽水机却偏偏抽不出水来，水还没有到井口，在离水面大约 10 米高的地方就不肯上升了。这是什么原因呢？

人们企图用亚里士多德的学说来进行解释。亚里士多德在物理学中曾经有过一条所谓“自然界憎恶真空”的原理。在回答液体在管中升降现象时，亚里士多德认为，大自然有一种憎恶真空的本能，为了惧怕管中出现真空，进而消灭真空，水就沿着管子上升了。长久以来，人们对于亚里士多德的说法确信无疑，然而，这一次却大大地失灵了，为什么憎恶真空只限于 10 米以

下呢？难道 10 米以上的大自然就不再憎恶真空了吗？显然，这个理论不能自圆其说。

对于这个问题，一时谁也说不清楚，于是人们就跑去请教当时意大利德高望重的物理学家伽利略。伽利略虽然不赞同亚里士多德的观点，然而也未能作出确切的回答，只是说：“也许是因为井太深了，水没有到达井口就由于本身的重量而掉下去了⋯⋯。”后来，伽利略逐步意识到，这个问题很可能与空气的压力有关，遗憾的是，不久他就告辞了人世，没有能亲自用实验来证明它。研究空气压力的问题，落到了伽利略的学生托里拆利的身上。

托里拆利是 17 世纪意大利的数学家、科学家。公元 1608 年生于意大利的华耶查城，自幼酷爱科学，20 岁负籍罗马，在著名的数学家、伽利略最好的朋友卡斯德利的门下攻读数学。卡斯德利始终不遗余力地在他的学生中传播伽利略的学说，因而年青的托里拆利十分尊重伽利略，自称为是“伽利略分子”。在这种意义上，可以说他是杰出科学家伽利略的学生，是伽利略科学事业的继承人。

托里拆利坚决反对亚里士多德关于“自然界憎恶真空”的说法，他决心用实验来驳倒它。1643 年，他和助手维维安尼，做了一个关键性的实验。他们把水银注入一头封闭的玻璃细管内，用手指压住开口一端，然后把玻璃管倒过来，使开口的一头插入盛有水银的杯里，当他们把手指拿开之后，水银并不是全部流到杯里，而是水银在降落了一段后，便稳定地保持在一个高度，再也不继续下降。这显然是有一种外力使水银保持在玻璃管内，托里拆利认为，这种外力就是水银面上的空气压力。如果没有空气压力，水银应该由管中全部流出。经过多次实验，结果都是一样。

不仅如此，托里拆利还反复测量了玻璃管中水银柱的高度，结果都是 76 厘米。这说明，空气的压力刚好等于管内水银柱高所表征的压力。大家知道水银的比重是水的 13.6 倍，如果把玻璃管中的水银换装成水，那么空气压力

所能支持的这一高度则应是： 76 厘米×13. 6=1033. 6 厘米=10. 336 米。

这就十分清晰地解决了托斯坎斯基住宅内那口深井的水，为什么抽到 10 米就

再也上升不了的原因。这是因为井的深度超过了 10.336 米。

托里拆利的实验解决了自伽利略以来许多人绞尽脑汁而不得其解的难题。这个实验不仅驳倒了亚里士多德的“自然界憎恶真空”的观点，证明了空气压力的客观存在，而且取得了定量测试空气压力的数值。托里拆利在这些实验的基础上，成功地制造了水银气压表。

另一个用实验证明空气压力存在的科学家是法国的巴斯噶。巴斯噶是托里拆利的同时代人。当巴斯噶获悉托里拆利的实验之后，曾于 1647 年 11 月

15 日写信给他的助手皮埃，信中说：“你是会了解的，如果在山顶上水银柱的高度显得比山麓低些，那末就可以从中作出结论，这种现象的唯一原因，是空气的重力。”

根据巴斯噶的指示，皮埃制作了两个水银气压计，一个要放在法国中部的皮依·德·顿山的山麓，另一个手拿着沿着斜坡向上爬山，并注意观察水银柱的高度变化。随着爬山高度的增加，皮埃观察到水银柱逐渐地慢慢下降。

巴斯噶得到实验报告之后，立即把实验结果和结论发表于世，产生了很大的影响。巴斯噶和皮埃的实验，把托里拆利的工作向前推进了一步。

在用科学实验来证明空气压力的科学家中，还有一位颇为著称的人—— 德国科学家冯·葛里克。葛里克原是一位军需官，1646 年他被任命为普鲁士马德堡市的市长。葛里克对于科学研究有着强烈的兴趣，他为了证实大气压力的存在，先后花费了 4000 镑的巨款，投入了大量的时间和精力来从事实

验。葛里克从 1651 年开始进行研究，终于在 1654 年获得成功。

1651 年，葛里克首先把密封的水桶中的空气抽出，结果发现木桶被大气压力压炸了。接着，他又用薄钢片做了一个球，抽去其中的空气，结果铜球也被大气压力压扁了。后来，葛里克又精心制作了两个直径为 37 厘米的铜质半球，这两个半球不但十分坚固，而且做得十分精密。一个半球上开孔，孔上设有活栓，两个半球合起来时，吻合得非常密贴，几乎完全不漏气。葛里克发现，当球内有空气时，两个半球很容易分开；如果将球内空气抽出后，由于球体受到外表单方面的大气压力，造成压力不平衡，因而很难把两个半球分开。

1652 年，葛里克为了改进真空技术，发明了空气卿筒，他利用这架自制的抽气机，可以把钢球内部的空气抽纯到一定的真空度。这就为日后的大气压力实验，提供了重要保证。

当一切准备工作都就绪之后，1654 年，葛里克决定当众表演他精心设计的实验。这一天，跑来看热闹的人很多，当时的皇帝和宫廷中的达官贵族也都前来观看。葛里克先把那个抽成真空的钢球放在地上，同时吩咐手下的人在两个半球的活栓上各系上八匹强有力的大马，然后叫这 16 匹马分别朝相反

方向用力地拉。可是，这 16 匹马用尽了气力却无济于事，铜球依然如故，结

合紧密。最后，又增添了 4 匹马，用 20 匹最精壮的马来拉，才把这个铜球拉开。拉开的那一刹那，外面的空气突然冲入球内，发出一声巨响，在场的人都被吓了一大跳。这个实验明白无误地证明，空气不但具有压力，而且压力之大，是十分惊人的。

葛里克的马德堡半球实验。否定了亚里士多德的“自然界憎恶真空”的学说，证实了真空是可以办到的，从而启发人们去进行真空技术的研究。葛里克发明的抽气机，后经波义耳的改进，被用来研究“空气的弹力和重量” 问题，并由此导致波义耳发现了气体的体积随压强而改变的客观规律，对科学发展起了一定的推动作用。

托里拆利、巴斯噶以及葛里克的科学实验，犹如一位公正无私的法官，以它极大的权威性，结束了“空气是否有压力”的争论，否定了亚里士多德的错误观点，使人们对空气的认识与研究，大大向前迈进了一步。