作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2020-7-16
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认识真空的两千年旅程

 

张宇宁

“我们生活在空气的海洋之底。”这是意大利物理学家、数学家托里拆利所说的,在中学物理课上,他的名字和著名的真空实验相联系。

在真空领域,压力的单位有时也用“托尔”表示(英文为torr),便是为了纪念托里拆利。实际上,人类对于真空本质的认识和思考却经历了将近两千年的漫长历程。从早期的亚里士多德,到后来的伽利略,一直到托里拆利才最终将真空的存在性及物理本质搞清楚。

托里拆利研究真空及大气压的原因是来自于当时的实际需求以及伽利略的启发。托里拆利是伽利略最后一个学生。

1642年,在伽利略逝世后,当时的斯卡纳大公国的大公斐迪南二世·德·美第奇请托里拆利接任伽利略作为该公国的数学公爵和比萨大学的数学教授之职。此时,斯卡纳大公属下有一个水泵制造商,希望能够将已有的水泵进行进一步改良,使其可以将水提升至12米的高度。经过了多次实验以后,该制造商却发现10米是水泵的极限。值得注意的是,此处的水泵是早期依靠大气压及压力差驱动的,与现代的依靠转动部件提升水流能量的方式极为不同。

上述需求中的科学问题可以概括为:水泵中的水在何种力的作用下实现了高度的提升?基于以上科学认识便可以想出具体的办法来提升水泵的性能。

关于大气压和真空的研究由来已久。

早在公元前四世纪,亚里士多德便在其名为《物理学》的专著中描述了决定物体运动的公式。按照此公式来推断,他断言,“自然界里是没有真空的”。

该思想在随后的两千年中一直占有主导地位。到了16、17世纪,情况逐渐改变。先是伽利略用实验挑战了亚里士多德关于物体运动速度取决于物体自身重量的论断。对于真空和空气的重量,伽利略也做了很多的思考。

河南大学教授李景文所著的《伽利略》一书中伽利略与亚里士多德信徒关于水泵抽水机理的辩论,大体上可以反映伽利略的核心观点和认知。

“我可以告诉你们:水之所以能克服重力,沿着管子上升,是因为空气把管中的水往上推。空气有重量,总是有推力,因此只要哪里出现真空,空气就设法去填满它。”“空气有多重?”“每平方英寸空气重15磅”“你怎么能证明这一点呢?”“水泵中的水可以证明。空气把水往上推,低于34英尺时,水就比空气轻;高于34英尺时,水就比空气重;如果刚好34英尺,两者的重量就相等。因此,只要你把这些水的重量称一下,就能求出空气的重量。”

从以上的对话中,我们看到伽利略对于大气压尚未有清晰的认识,但伽利略认为真空是存在的。

1630年,贝里亚尼(1582—1666)发现虹吸管的极限是10米并写信给伽利略问其原因。伽利略明确回复是真空帮助虹吸管吸水但是真空已达到了极限。对于为何水泵的水在真空的作用下会克服重力而运动,伽利略曾提出过“真空力”的概念,但“真空力”的本质是什么以及如何进行测定却不得而知。另外,伽利略的理论并没有解释为何水的高度提升极限总是10米,而不是其他数值。

在阅读了伽利略的理论之后,贝尔蒂(1600—1643)与朋友一起设计了一个实验装置验证真空的存在。实验的时间大概是1640—1643年间,贝尔蒂建造了一个用铅制造的管道,内部充满水,两端封闭。然后将其中的一段浸没到水中后将密封打开,结果发现管道中剩余的水正好是10米。因此,贝尔蒂认为这个实验证明了真空的存在,管道中水的上部的剩余空间正是被真空所充满。遗憾的是,贝尔蒂的实验结果直到1647年才向外透露,而此时托里拆利的实验结果已经被广为传播。

1644年春季,托里拆利在佛罗伦萨采用水银进行了著名的关于真空的实验,实验名称为“快银”。当时,托里拆利对贝尔蒂的工作并不知情。基于对大气压作用的深刻理解,托里拆利在实验之前做了如下的猜想:当真空形成之时,介质的上部真空部分并不会产生作用力,而底部的大气压产生的作用力依旧。这样便会产生一个向上的作用力导致流体的运动直至平衡。

他进一步猜想,液体上升的高度与介质的密度密切相关。因此,托里拆利实验的一个重大创新便是采用水银作为介质。与水作为介质相比,水银的高度只有水上升高度的大概十三点六分之一,这样便极大地降低了实验的难度。

托里拆利的实验产生了巨大的影响,尤其是在法国、波兰等地,也直接导致了一场有关真空存在与否及其所涉及的亚里士多德理论正确性与否的耗时良久的大争论。

回顾大气压和真空的创新历程,伽利略功不可没。他的观点深刻地影响了后续的很多学者,包括贝尔蒂、托里拆利等等。正是这些创新文化在一代又一代学者间的传承和发扬,才最终导致了对压强本质认识的不断提升以及真空的发现。

托里拆利另外一个值得让人敬佩的品质是严谨求实。在做完证明真空存在的实验之后,托里拆利并没有正式地发表它,主要原因是托里拆利认为实验尚存在瑕疵,因为由空气大气压所支撑的水银柱高度会随着环境冷热而变化。实际上,在不同海拔高度的地方做同样的实验,水银柱的高度也会不同。这些问题随着后续理想气体定律的深入研究以及帕斯卡等人的工作被逐步地得到完美解决。

真空的发现和存在性证明对科学的研究方法本身有着较为深刻的影响,后续研究中学者们越来越重视实验的作用。回到开篇中水泵提水高度的问题,根据托里拆利的理论,单纯依靠大气压只能够将水提升到10米高度。后续,人们开始逐步地采用通过旋转部件增加流体压强的方法实现更高高度的提水。

1654年5月8日,即托里拆利实验的十年之后,在德国举行的马德堡半球实验再一次向人们充分地展示了真空的力量。两个普通的半球通过真空泵将其间的空气抽出之后,即使两侧同时用15匹马也无法将其拉开。这时候,人们真正地见识到了大气压的威力,极大地促进了相关科学的发展。我们家中常用的电灯也是真空应用的好例子。在19世纪,通过大量的实践证明在真空中灯丝的寿命更长。

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《中国科学报》 (2020-07-16 第8版 博客)
 
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