质疑、反思与实验

----从托里拆利到波义尔的真空问题

1、真空问题研究的背景

        亚里士多德不承认真空的存在，在亚里士多德的哲学中，没有任何物质的空间----真空，是不可思议的。亚里士多德在《物理学》一书中对虚空的不存在做过系统地论证。

直到中世纪后期，学术界流传着“自然界厌恶真空”的说法，尽管当时水泵的使用已经很普遍，人们还是认为水之所以能往上抽是因为自然界不允许真空存在，活塞向上抽动所留下的空隙必须马上被水所充满，但当时水只能被抽到33英尺高，人们再也无法解释。

但是，伽利略听到这件事却很惊讶，据此他猜想，真空的排斥力并不是无限的，而是有限的，并且应该能够测量出来，只能通过实验知道空气有重量。他提出过可以由水柱的高度来标度对真空的排斥力，但是，他仍然没有认识到空气和真空的关系，无法肯定是否存在真空，以至于他的落体运动规律也无法在真空中得到验证。他只好把这个课题留给了他的学生托里拆利。

2、托里拆利的水银柱

       伽利略临终时，托里拆利一直呆在他的身边，伽利略死后，托里拆利接替了他的宫廷数学家的职位。

   1643年，托里拆利与伽利略的另一个学生维维安尼一起在佛罗伦萨做了著名的“托里拆利实验”。他们在一根4英尺长的一端封闭的玻璃管内注满水银，用手堵住开口的一端，将管子倒立着放入一个水银盘中，松开手，水银果然向下流，但是，当流到水银柱高约30英寸（760毫米）时，水银不再下降了。

        托里拆利认识到，排斥真空的力不是别的，正是空气的重量。由于空气的重量是有限的，所以能够支撑的水银柱的高也是有限的，倒立着的管子里把水银空出来的那一段就是真空。

后来托里拆利注意到水银柱的高度，每天略有变化，他解释为每日的空气重量略有变化。实际上，这根水银柱成了世界上的第一个气压计。

3、帕斯卡的水压机原理

布莱斯.帕斯卡，法国人，虽然只活了39岁，仍在科学、哲学和文学上都创造了不朽的业绩。他16岁就写出了轮圆锥曲线的著作，19岁就取得齿轮加减法计算机发明专利。

帕斯卡知道了托里拆利的实验后，促使他深入思考真空问题，他相信，真空在自然界不是不可能的，他用红葡萄酒重复了托里拆利的实验，得到了一段真空。他进一步想，如果水银柱真的是被空气压力顶住的，那么在海拔较高的地方，空气压力小，水银柱的高度应该有变化。由于他身体弱，他写信给他的内兄，让他带上水银气压计登上当地的多姆山，果然，在一英里高处水银柱下降了3英寸，帕斯卡将这个实验重复了五次，结果使他十分激动，进一步证实了托里拆利关于大气压力的观点。

        帕斯卡进一步研究了液体静力学，他发现，作用于密闭液体中的压力可以完全传递到液体内任何一处，并且垂直地作用于它所接触的任一界面上，这就是著名的帕斯卡原理，也是水压机的理论基础之一。他还发现水压机也是一个杠杆，力与力臂的积保持不变，由两个活塞组成的液压机中，活塞越大，液体的高度变化越小，它所受的力就越大。

4、盖里克与马德堡半球

德国的盖里克，出身名门望族，早年游学荷兰、法国、英国，学习数学和法律，1646年当上家乡已经由于战争变成废墟的马德堡市长，在任35年，为建设家乡殚精竭虑。他认为，雄辩术、优雅的语言或争论的技巧，在自然科学的领域中是没有用处的。他决定用实验来证实真空问题。

       开始，他使用装满水的葡萄酒桶，但木桶不够严密，又改用空心铜球，但空气抽到最后，“扑”的一声就瘪了，他又换上更结实的空心铜球。后来他制造了很多真空球，并发现在真空中火焰熄灭了，小动物不能生存，但水果可以保鲜，并且用抽气机测量了空气的重量。

        1654年，他当着德皇斐迪三世和国会议员们的面，演示了马德堡半球实验。他用两个直径约1.2英尺的铜质半球，涂上油脂对接，再把球内抽成真空，让两个马队分别拉一个半球，直到用上16匹马，才将两个半球拉开。这个实验不仅证明了大气的压力有多大，真空的和大气压力的概念也从此而广为世人所知。

4、波义尔与抽气机

英国的波义尔听说了盖里克的实验之后，就着手设计自己的抽气机，在助手胡克的帮助下，成功地改进了盖里克的空气泵，并获得了较好的真空。

       他在自己抽出的透明玻璃圆筒的真空里，羽毛和铅块果然同时下落，首次证明了伽利略关于落体运动的规律：一切物体不论轻重均同时下落。实验中他还发现，声音在真空中不能传播，而电吸引力却可以穿透真空。

    当时有人反对波义尔关于空气压力的观点，促使波义尔进一步做实验。 1662年，他用了一端封闭的U形管，将水银从开口的一端倒入，使空气聚集在封闭的另一端，随着他不断地倒入水银，另一端的空气柱只是受到了压力，体积变小，但其支持的水银柱更高了，这就表明空气在压缩时可以产生更大的压强。他发现：在压缩空气时，压强越大，空气体积越小，压强与体积成反比。这就是著名的波义尔—马略特定律。因为法国物理学家马略特在14年后也独立地发现了这一规律。

        真空问题的研究极大地促进了流体力学的发展，为以后的蒸汽机的出现，动力机械的广泛使用以及工业革命奠定了基础。

《老子》在第十一章中对“空”的理解是这样的：“三十辐共一毂，          毂，当其无有，车之用；埏埴以为器，当其无有，器之用；凿户牖以为室，当其无有，室之用。故有之以为利，无之以为用。”

大意是：三十根车辐集中在一个车毂上，形成了车轮和车子，而车子其中空着的地方，那正是作为车子所要利用的地方；用水和粘土揉合成为陶器，那陶器中间空着的地方，也正是陶器所要用着的地方；凿户垒窗，建造房屋，那房屋中间空着的地方，不也正是房子所要用着的地方吗？所以说，任何事物都是“有”与“无”相统一的，“有”是事物起作用的凭借，而“无”却是事物发挥作用的地方。