于鵬翔

編者按：你坐過(guò)飛機(jī)嗎？在飛機(jī)急速升降時(shí)，人們常常會(huì)覺得耳朵不舒服。這是因?yàn)闅鈮杭彼俑淖?，擠壓耳膜所引發(fā)的正常現(xiàn)象。我們都知道人類離不開空氣，但看似輕飄飄的空氣，實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力。人們什么時(shí)候認(rèn)識(shí)到這個(gè)壓力，科學(xué)家又是怎么發(fā)現(xiàn)它的奧秘的呢？

一個(gè)實(shí)驗(yàn)驚世人

1654年5月8日，晴空萬(wàn)里，微風(fēng)習(xí)習(xí)。在德國(guó)（當(dāng)時(shí)還是神圣羅馬帝國(guó)的一部分）的雷根斯堡城郊外廣場(chǎng)上，大群市民聚在一起，望向廣場(chǎng)的空地。這天既不是節(jié)日，也沒有大型聚會(huì)，他們?cè)陉P(guān)注什么？

此時(shí)，一個(gè)人正拿著兩個(gè)半球緩緩走來(lái)。他的身后，助手們手里拿著一堆管子和一些奇奇怪怪的物件跟隨著。而廣場(chǎng)的空地上，一群駿馬和馬夫早已等候多時(shí)，駿馬不耐煩地踏著蹄子，揚(yáng)起了陣陣灰塵。

看到主角登場(chǎng)，市民們開始竊竊私語(yǔ)：“市長(zhǎng)手里拿的是什么東西？”

“似乎能拼起來(lái)，難道是要表演雜技？”

“聽說(shuō)這是要我們看到空氣的力量，空氣怎么還能有力量？”

“這些馬是干什么的？是要舉行賽馬比賽嗎？”

…………

被稱為市長(zhǎng)的正是拿著兩個(gè)半球的馬德堡市市長(zhǎng)，叫奧托·馮· 格里克。這位市長(zhǎng)不僅是官員，也是一位科學(xué)家和發(fā)明家。他的助手拿著的正是他發(fā)明的真空泵。格里克走到廣場(chǎng)正中，和助手一起開始組裝他的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：他們把兩個(gè)銅質(zhì)半球中間墊上皮革，再把兩個(gè)半球殼灌滿水，確認(rèn)無(wú)誤后嚴(yán)絲合縫地裝在一起。緊接著，助手把真空泵接到銅球上，開始向外抽水。同時(shí)格里克向眾人介紹說(shuō)，這個(gè)球直徑14 英寸（大約36 厘米），中間用浸滿了油的皮革密封，保證空氣不會(huì)進(jìn)到球里面，現(xiàn)在里面充滿了水，助手用真空泵抽出里面的水，球里面就是真空的，只有周圍的空氣壓著這個(gè)球，兩隊(duì)馬向相反的方向拉這個(gè)球，直到兩個(gè)半球分開。

在高頭大馬的襯托下，這個(gè)銅球顯得十分小巧。在場(chǎng)的人都不太相信能有什么力量可以抵住兩邊馬匹的力量。隨著馬夫的吆喝，大家也都瞪大了眼睛，看兩邊的馬嘶叫著用力，中間的兩個(gè)半球似乎被施了魔法，緊緊地扣在一起，抵抗著兩邊馬匹的拉力。眼看拉不開，馬夫開始給兩邊增加馬的數(shù)量，一匹、兩匹……一直到兩邊各有八匹馬。隨著砰的一聲巨響，人群中發(fā)出一陣驚呼。因?yàn)閮H僅依靠空氣的力量，居然用了十六匹馬才把兩個(gè)半球拉開?？諝饩谷挥羞@么巨大的力量！

人群中的格里克露出了微笑——這一次，他向世人展示了科學(xué)的力量，也為遠(yuǎn)在意大利的托里拆利正名。

我們生活在空氣的海洋中

這個(gè)托里拆利是誰(shuí)？這里面究竟有什么故事呢？讓我們先來(lái)到17 世紀(jì)初的意大利。

這時(shí)，世界上有很多人住在山上。他們用水很困難，需要將水一桶一桶地從山腳提到家里。而意大利人已經(jīng)用上了方便的吸水管——管子的一端被放在水井中，人們把另一端的空氣抽走，水就會(huì)自動(dòng)從低處升到高處。但為什么水會(huì)自行向高處流，當(dāng)時(shí)的人沿用了亞里士多德的觀點(diǎn)：“自然界討厭真空?！币坏┱婵债a(chǎn)生，就會(huì)有東西將它補(bǔ)滿。

有人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，一旦管子的高度差超過(guò)10 米，無(wú)論他們?nèi)绾闻?，水都無(wú)法再往上升了。1630 年，工程師喬加利亞諾寫信給伽利略，問(wèn)他為什么自己設(shè)計(jì)的用于將水輸送到 12 米高的山上的吸水管無(wú)法工作。伽利略思考了這個(gè)問(wèn)題，提出了自己的想法：空氣是有重量的，真空也是可以存在的，而且真空也可以產(chǎn)生力量，叫作真空力。正是這個(gè)真空力從上面吸引水往高處流。之所以水無(wú)法再提高，就是因?yàn)檎婵樟σ呀?jīng)到達(dá)了極限。但是空氣的重量從何而來(lái)，這個(gè)真空力又是什么，伽利略并沒有給出答案。

1640 年，相信“實(shí)驗(yàn)出真知”的伽利略和他的兩個(gè)助手在意大利佛羅倫薩的一口水井中開展了一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)：他們將一根管子放進(jìn)水井中，由兩人用抽水泵抽出管子里的空氣，但無(wú)論他們多么努力，果真水位在井中水面約10 米高。到底是什么原因讓管子中的水只能有這么高？是真空力真的有極限嗎？不同粗細(xì)的管子里面的水的重量是不一樣的，為什么真空力都是只能提水到約10 米高？

兩年之后，伽利略去世了。當(dāng)年的助手繼承了老師的衣缽成了新的研究者，而這位助手正是我們剛剛提到的托里拆利。他結(jié)合老師之前的研究，有了一個(gè)想法：提水的力量不是真空的力量，而是空氣的重量，水能提到10 米高，是因?yàn)檫@個(gè)高度的水產(chǎn)生的壓力和空氣（大氣）產(chǎn)生的壓力正好相同。如果真是這樣，那么密度不同的液體在管子中的高度就應(yīng)該是不一樣的。

為了證實(shí)自己的猜想，托里拆利選擇了一種密度很大的液體：水銀。水銀的密度是水的13.6倍。如果大氣有自己的重量，能把水壓到約10 米，那么對(duì)應(yīng)的，水銀就應(yīng)該被壓到約10/13.6 米（70 多厘米）這么高。1643 年，托里拆利用一支約一米長(zhǎng)的玻璃管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。玻璃管一頭密封、一頭開口，他把玻璃管中灌滿水銀，然后用手指頂住管口，將其倒插進(jìn)裝有水銀的槽里，放開手指后，水銀的頂部不出所料地下降了。管子上部留出的這段空間里面正是真空，而管子下面仍充滿水銀。很快，水銀的高度穩(wěn)定了下來(lái)，不出所料，這個(gè)距離正是70 多厘米。之后，托里拆利不斷地改變實(shí)驗(yàn)方式，他發(fā)現(xiàn)無(wú)論是改變管子的粗細(xì)、管子上端的形狀，還是傾斜管子，水銀的高度都維持在同樣的高度。直到有一天，風(fēng)雨交加，托里拆利繼續(xù)自己的實(shí)驗(yàn)，但是這次水銀的高度卻降低了。管子沒有變、水銀沒有變、實(shí)驗(yàn)步驟也沒有變，這時(shí)候他恍然大悟：管子中液面高度之謎的答案不是液體自身的重量，也不是什么真空力，而是大氣的變化。

大氣是有重量的，對(duì)它下方的物體產(chǎn)生壓力。而管子中水銀柱維持在一定高度，是因?yàn)榇髿饨o了水銀槽壓力，管子上空的真空沒有大氣壓力，所以水銀被大氣從水銀槽擠到了管子里面，同樣環(huán)境中氣壓不變，水銀柱的高度也不變。而水能達(dá)到的高度更高就是因?yàn)樗拿芏雀?，大氣可以把水壓得更高，但是也有限度，這個(gè)上限是10.336 米。幾十年的水管之謎終于得到了答案，而水銀上方的那部分真空也被叫作托里拆利真空，表示真空度的單位被叫作托（符號(hào)為Torr）。將細(xì)直管內(nèi)的水銀頂高一毫米的壓力就是一托。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)備也被叫作托里拆利氣壓計(jì)。

1644 年，托里拆利在給朋友的一封信中寫了一句著名的話：我們生活在空氣海洋之底，氣壓是無(wú)處不在的。

科學(xué)家們對(duì)于大氣的認(rèn)識(shí)越來(lái)越準(zhǔn)確。但是大眾對(duì)于這種看不見、摸不著的知識(shí)依然存在疑問(wèn)，于是才有了我們開頭看到的一幕，格里克用更加直觀的實(shí)驗(yàn)讓大家相信了我們生活在大氣的海洋中。

數(shù)學(xué)天才的實(shí)驗(yàn)

托里拆利揭開了氣壓奧秘的一角，消息傳到法國(guó)，另一位天才登場(chǎng)了。這個(gè)人叫帕斯卡，1623 年出生于法國(guó)，母親早逝，父親是一位稅務(wù)官員。因?yàn)榕了箍◤男◇w弱多病，父親擔(dān)心他精力有限，沒有讓他過(guò)早研究數(shù)學(xué)，而是去學(xué)習(xí)了當(dāng)時(shí)更加有用的拉丁文和希臘文。但是興趣是擋不住的，有一次當(dāng)他的父親看到12 歲的帕斯卡在墻邊演算幾何題時(shí)，這位精通數(shù)學(xué)的官員終于肯定了帕斯卡的數(shù)學(xué)能力，允許他去系統(tǒng)地學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)。16 歲時(shí)，帕斯卡寫了一篇關(guān)于圓錐曲線的內(nèi)接六邊形的短篇論文，其中的方法就是至今依然廣泛使用的帕斯卡定理。帕斯卡的作品十分成熟，以至于當(dāng)時(shí)著名數(shù)學(xué)家笛卡兒看了他的手稿后，拒絕相信這是一位16 歲的少年所寫。帕斯卡一生在數(shù)學(xué)上有諸多貢獻(xiàn)：在幾何學(xué)上有帕斯卡定理；在代數(shù)上有帕斯卡三角形；通過(guò)討論擲骰子時(shí)某種組合出現(xiàn)的概率，他還為近代概率論奠定了基礎(chǔ)；為了減輕自己父親的計(jì)算負(fù)擔(dān)，他甚至發(fā)明了世界上最早的計(jì)算器之一。

當(dāng)托里拆利提出的氣壓相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)傳到法國(guó)的時(shí)候，還有很多人不相信。人們承認(rèn)托里拆利的實(shí)驗(yàn)，但是認(rèn)為水銀柱上方不是真空，而是一種“氣”，是這種氣牽引水銀柱上升。帕斯卡贊成托里拆利的分析，他的證明方法依然是實(shí)驗(yàn)。他用兩根一端被封閉的管子，一根裝水，一根裝葡萄酒。實(shí)驗(yàn)前，他問(wèn)大家，哪一根管子中的液體在實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)變得低一些？人們普遍回答說(shuō)是葡萄酒，因?yàn)槠咸丫票人讚]發(fā)，會(huì)揮發(fā)出更多的氣體把液柱壓下去。但是最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與人們的預(yù)期完全相反，裝有葡萄酒的管子里的液柱比裝水的那個(gè)更高，這表明葡萄酒上面并沒有產(chǎn)生會(huì)把液體壓下去的“氣”。實(shí)際上，是因?yàn)槠咸丫票人拿芏雀?，它的液柱才被大氣壓得更高?p>

與此同時(shí)，帕斯卡也在深刻地思考什么是氣壓。葡萄酒和水的實(shí)驗(yàn)證明，如果液柱上方是真空的話，能夠支撐液柱不落的原因只有一種解釋：是周圍空氣的壓力。氣壓來(lái)自大氣的重量，位置越高，空氣密度就會(huì)越小，也就是說(shuō)高空的氣壓要比地面的氣壓小。如果能測(cè)出氣壓隨高度的變化而變化的具體情況，就能揭示氣壓的本質(zhì)，而驗(yàn)證思考的最好方法依然是實(shí)驗(yàn)。帕斯卡的家鄉(xiāng)就有一座高山，但是因?yàn)閾?dān)心自己的身體狀況，于是帕斯卡委托自己的姐夫佩里埃去開展實(shí)驗(yàn)。佩里埃拿著氣壓計(jì)一邊爬山一邊測(cè)量，發(fā)現(xiàn)果真是海拔越高，水銀柱就越低，山頂處水銀柱的高度比在山腳處少了8.5 厘米。帕斯卡得到這個(gè)結(jié)果后很興奮，前往巴黎一座高約50米的塔上做了同樣的測(cè)試，也得到了同樣的結(jié)論。

由此，帕斯卡證明了我們生活的空氣存在壓力，并且空氣因高度不同而產(chǎn)生密度差異，進(jìn)而造成氣壓不同。他還發(fā)現(xiàn)氣壓與天氣也存在關(guān)系——下雨天的氣壓會(huì)比晴天的氣壓更低。 帕斯卡揭開了氣壓的奧秘，為了表彰紀(jì)念他的功績(jī)，后人用帕斯卡（符號(hào)為Pa）作為壓強(qiáng)的國(guó)際單位。

生活中的氣壓

氣壓到底有多少力量呢？國(guó)際上是這樣規(guī)定的：溫度為0℃、緯度45 度海平面上的氣壓被稱為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325 帕斯卡=10.336 米水柱=760 毫米水銀柱=760 托?？?，帕斯卡和托里拆利在國(guó)際單位上再次相遇了！

水銀氣壓表上的數(shù)值為760 毫米水銀柱高。這相當(dāng)于1 平方厘米的面積上承受著1.0336 千克重的大氣壓力。這個(gè)壓力有多大呢？你伸開手掌，手掌面積大約是100 平方厘米，此時(shí)手上相當(dāng)于承受著100 多千克的重量。你是不是覺得很奇怪，這么重為什么一點(diǎn)兒感覺都沒有？這是因?yàn)樵谀闶终频南路剑灿幸粋€(gè)這么大的力量在支撐，兩者相抵，你就感受不到重量了。我們的身體時(shí)時(shí)刻刻都在承受著這樣的氣壓，而之所以感受不到，也是因?yàn)槲覀兩眢w適應(yīng)了氣壓平衡狀態(tài)。距離地表越高，氣壓就越低，因此飛機(jī)在高空飛行時(shí)會(huì)給機(jī)艙內(nèi)部加壓。在遠(yuǎn)離地面的太空，氣壓幾乎為零，因此航天員在出艙進(jìn)行太空作業(yè)的時(shí)候，航天服除了要提供氧氣，也要進(jìn)行加壓設(shè)置。

在氣象領(lǐng)域，氣壓的變化是天氣變化最直接的指示之一。地面很熱的時(shí)候，近地空氣會(huì)受熱膨脹，地表氣壓就會(huì)下降，此時(shí)升到高空的空氣有可能會(huì)形成一場(chǎng)突如其來(lái)的傾盆大雨。也就是說(shuō)，突然的低壓就是提示我們出門要帶傘了。空氣變冷的時(shí)候會(huì)收縮下沉，導(dǎo)致地表氣壓增加，所以突然的高氣壓預(yù)示著我們可能會(huì)遇到降溫但是晴朗的天氣。

在氣象學(xué)中，我們經(jīng)常會(huì)用千帕斯卡（簡(jiǎn)稱千帕，符號(hào)為kPa）或者百帕斯卡（簡(jiǎn)稱百帕，符號(hào)為hPa）來(lái)表示氣壓。通過(guò)氣壓圖中的氣壓高低分布和數(shù)值差異，天氣預(yù)報(bào)員可以很快分析出風(fēng)向和風(fēng)力大小，就像我們見到山的坡度方向和高矮就能判斷出山坡上水的流向和流速一樣。

生活中的氣壓無(wú)處不在，你都在哪里發(fā)現(xiàn)過(guò)它們呢？炎熱的夏天，喝一杯冷飲再愜意不過(guò)了。當(dāng)你用力嘬吸管喝到杯子里的飲料時(shí)，有沒有想過(guò)是你讓吸管里產(chǎn)生了真空，從而讓大氣把飲料壓進(jìn)了你的嘴里？下次你嘬緊喝飲料的吸管時(shí)，注意吸管里的飲料不會(huì)落下，就跟當(dāng)年托里拆利的實(shí)驗(yàn)一樣。當(dāng)你把一個(gè)真空掛鉤按緊在瓷磚墻上，讓它能夠穩(wěn)穩(wěn)固定的并不是塑料的黏性，而是大氣壓力，這和格里克所做的馬拉半球?qū)嶒?yàn)如出一轍。當(dāng)你爬山的時(shí)候，可以拿出一個(gè)氣壓高度計(jì)去查看此處的氣壓和高度，這正是帕斯卡給我們留下的財(cái)富。

從伽利略猜想真空力，到托里拆利實(shí)驗(yàn)證明大氣擁有壓力，再到帕斯卡實(shí)驗(yàn)證明了氣壓的存在和變化，人類對(duì)于氣壓的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻，但是關(guān)于這個(gè)神奇的世界，我們依然存有很多疑問(wèn)，其中可能還存在著很多類似“自然界討厭真空”的錯(cuò)誤說(shuō)法。別忘記，我們要像發(fā)現(xiàn)氣壓的這些科學(xué)家一樣，帶著大膽的猜測(cè)、縝密的思考和細(xì)致的驗(yàn)證去一點(diǎn)一點(diǎn)解開科學(xué)世界里的未解之謎。