大氣壓是怎么發(fā)現(xiàn)的？

很久以前，人們就注意到一個現(xiàn)象，當(dāng)用來輸送水的虹吸管跨越高度10米以上的山坡時，水就輸不上去了；在超過10米深的井里，抽水泵就不起作用了。人們早就知道只要把水管里的空氣抽走，造成一個真空環(huán)境，那么水就會沿著水管往上流。人們無法解釋水為什么會往上流，而不是通常那樣“水往低處流”，就借用古希臘學(xué)者亞里士多德（Aristotle，前384～前322）的名言“大自然厭惡真空”聊以自慰。到了17世紀(jì)，歐洲諸國開始向外擴(kuò)張，在大規(guī)模地制造槍炮、貨幣的情形下，金屬的使用量大增，礦井開采的深度也加深了，于是，就出現(xiàn)了地下水抽取困難的問題。除此之外，灌溉、噴泉取水都受到了限制。擁有大礦井和豪華花園的托斯卡納公爵為此一籌莫展，于是就委托伽利略（Galileo，1564～1642）解決這個問題。伽利略將這個難題告知了許多科學(xué)家，其中也包括伽斯帕羅·貝爾蒂，他是第一個在羅馬進(jìn)行抽取真空實驗的科學(xué)家。盡管當(dāng)時已經(jīng)有很多人關(guān)注“大自然厭惡真空”的現(xiàn)象，但還是無人知曉這種現(xiàn)象背后的原因。

伽利略發(fā)現(xiàn)空氣有重量

事實上，最早注意到空氣有重量的是伽利略。他將一個空瓶（當(dāng)然里面有正常氣壓的空氣）密封起來，放在天平上與一堆砂子平衡。然后，他設(shè)法用打氣筒向那個瓶子打進(jìn)更多的空氣，再次加以密封。當(dāng)伽利略把這只瓶子再放回到天平上時，這時的瓶子比那堆砂要重一點，只有再往砂堆里加添一兩粒小砂子，天平才會平衡。伽利略推斷，瓶子重量增加是由于里面的空氣增多了的緣故，據(jù)此推斷空氣是有重量的。

雖然伽利略科學(xué)地測定空氣是有重量的，但他無法解釋“大自然厭惡真空”的問題，只好假定水泵或者虹吸管內(nèi)有一種只能提起10米高水柱的“真空力”，或者說，大自然的那種“厭惡”是有限度的，到了10米以上的真空，就不“厭惡”了。在當(dāng)時，還有一個叫G·B·巴里安尼的學(xué)者認(rèn)為空氣有重量，因而會產(chǎn)生壓力，可以從外面托起水柱。盡管他的名望遠(yuǎn)遜于伽利略，但這種觀點，還是引起羅馬和佛羅倫薩各派的爭論。

托里拆利發(fā)現(xiàn)大氣壓力

1642年，伽利略逝世，他的學(xué)生托里拆利（Torricelli，1608～1647）繼任了他的職務(wù)，并以極大的熱情繼承了伽利略未完成的物理研究工作。他觀察到大氣對地球表面施有壓力，并猜想，這有可能解釋所謂“大自然厭惡真空”的各種現(xiàn)象。托里拆利認(rèn)為，既然空氣有重量就會產(chǎn)生壓力，就像水有重量會產(chǎn)生壓力和浮力一樣。正是空氣的壓力把水從管子里往上壓，壓到10米的高度時，水柱的重量正好等于空氣的壓力，水就再也壓不上去了。為了證實這一點，他開始研究吸水唧筒（古代水泵）的原理，并讓自己的助手維維安尼幫忙用各種液體進(jìn)行實驗，由此查明了唧筒升高液體的高度取決于液體的比重。而這恰恰為發(fā)現(xiàn)大氣壓力指明了方向。

1643年，即伽利略去世后的第二年，35歲的托里拆利做了一個決定性的實驗，并以此發(fā)現(xiàn)了大氣壓力，使人們開始研究身邊無時無處不在的空氣。

根據(jù)“大自然對真空的厭惡限度”，實驗需要一個高10米的實驗裝置，且不說制作之難，10米有三四層樓那么高，怎樣進(jìn)行觀測呢？聰明的托里拆利設(shè)計了一個方法，利用比水重13.6倍的水銀來做實驗。他讓人制作了一根1米長的玻璃管，一端封閉，一端開口。維維安尼將水銀灌滿管子，然后用手指堵住開口的一端，將管子顛倒過來使開口的一端朝下，再放進(jìn)一個盛滿水銀的陶瓷槽里。當(dāng)他放開按住管口的手指時，管里的水銀很快下降，當(dāng)水銀降到距槽里的水銀面76厘米高度時，就不再降低了。換算一下就可以得出，76厘米高的水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，正好等于10米水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)。這個實驗形象地顯示出，水銀槽里水銀表面所受到的大氣壓強(qiáng)剛好等于76厘米高的水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。而且很顯然，有某種外力使水銀留在管子里，這種外力可能就是杯子里水銀面上的空氣壓力。對于托里拆利和他的助手而言，這個結(jié)論是毋庸置疑的。但是“大自然厭惡真空”的觀念根深蒂固，人們甚至連“看不見的”空氣對“看得見的”物體有壓力這種可能性本身也難以相信。要使大家放棄這種觀念，則需要有更清楚直觀的佐證。

蓋利克的馬德堡半球

托里拆利發(fā)現(xiàn)大氣壓力的消息很快傳到了德國。受托里拆利實驗的啟發(fā)，1649年，德國工程師蓋利克（Guericke，1602～1686）發(fā)明了真空泵，利用真空泵可以抽出密封于容器中的空氣。

蓋利克發(fā)現(xiàn)，在抽去空氣的容器里，小動物不能存活，蠟燭不能燃燒，食品卻可以長久保鮮。這些發(fā)現(xiàn)啟發(fā)人們思索空氣的成分，探究空氣與人的關(guān)系，促進(jìn)了化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

蓋利克后來擔(dān)任德國馬德堡市市長，在任35年。為了讓人們相信大氣有壓力，他為德國皇帝和國會議員表演了在歷史上被傳為佳話的“馬德堡半球?qū)嶒灐?。這是一次極具戲劇性的科學(xué)實驗，直觀地證明了大氣壓的存在。

1654年5月8日，蓋利克帶著兩個直徑50厘米的銅質(zhì)半球來見皇帝，他告訴皇帝，把這兩個半球合攏，兩邊即使各用五六匹馬來拉也未必能拉開?；实塾X得不可思議，便催促他開始實驗。蓋利克將銅質(zhì)半球的邊沿用經(jīng)松節(jié)油蠟浸過的皮環(huán)密封，抽去球中的空氣，在大氣壓力的作用下，兩個半球緊緊扣合在一起。半球上焊有結(jié)實的銅環(huán)，他讓兩支馬隊朝相反的方向分別用力拉兩個半球，可無論馬匹如何用力，兩個半球還是牢牢地粘合在一起。于是，蓋利克吩咐兩邊馬隊的馬一匹匹地增加，結(jié)果用了16匹馬才把它們拉開。

這一實驗轟動一時，它不僅演示了大氣壓的巨大機(jī)械力，還激勵了玻意耳等科學(xué)家對大氣壓力進(jìn)一步進(jìn)行研究。后來，蓋利克研究空氣密度隨著地面高度和濕度而變化的現(xiàn)象，發(fā)明了水柱氣壓計，利用氣壓計預(yù)報天氣的變化，并提議通過觀測站網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)氣象觀測等。

帕斯卡發(fā)現(xiàn)大氣壓力隨高度變化

另一個證明大氣壓力存在的無可辯駁的實驗，是與托里拆利同時代的法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家帕斯卡（Pascal，1623～1662）進(jìn)行的。帕斯卡知道托里拆利的實驗以后，便利用托里拆利設(shè)計的“世界上第一個測量大氣壓強(qiáng)的氣壓計”，于1646～1647年在法國的魯昂和巴黎以不同方式重做了一系列實驗。

帕斯卡認(rèn)為，用水銀柱量出的大氣壓力實際上是空氣重量產(chǎn)生的力，隨著高度的上升，空氣稀薄，大氣的壓力也會逐漸減少。1648年，腳有殘疾的帕斯卡委托姐夫佩里埃帶著水銀氣壓計登上高山觀察氣壓計讀數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)在海拔1600米左右的高度，氣壓計水銀柱液面下降了大約10%。得到這個消息之后，他于1648年發(fā)表了這一結(jié)果。此后的多次測量表明，在距離海平面2000米的高度內(nèi)，平均每升高12米，水銀柱大約降低1毫米。知道了大氣壓跟高度的關(guān)系，就可以根據(jù)大氣壓的大小來估算出某處的高度。這種用氣壓計測量高度的方法，沿用至今。

玻意耳發(fā)現(xiàn)氣體的物理性質(zhì)

托里拆利發(fā)現(xiàn)大氣壓力的消息傳到英國之后，深受伽利略影響的英國科學(xué)家玻意耳（Boyle，1627～1691）對空氣產(chǎn)生了濃厚的興趣。他把托里拆利實驗中的玻璃直管換成一端封口的U形管，從開口一端向管內(nèi)注入水銀，水銀把這少量的空氣“囚禁”在封閉端。當(dāng)他再多灌入一些水銀時，空氣柱受到更大的壓力收縮，體積變小了。但被壓縮的空氣卻可以支撐更高的水銀柱，玻意耳據(jù)此發(fā)現(xiàn)，殘留在密閉管中的空氣體積與壓力成反比。

空氣有彈性——這可真是個奇妙的發(fā)現(xiàn)。根據(jù)實際測量，玻意耳證明，氣體體積減小一半，壓強(qiáng)就增大一倍。反之，如果不斷地減少壓力，一定量的空氣可以無限擴(kuò)張，滲透到廣闊的空間范圍。玻意耳定律是第一個關(guān)于氣體物理性質(zhì)的定律。據(jù)此，人們可以設(shè)計制造更好的抽氣機(jī)和空氣壓縮機(jī)。

時至今日，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，氣壓計的精度越來越高，但原理仍與原始?xì)鈮河嬒嗤y氣壓計依然是最常用的氣壓計。

（瑪麗亞·皮拉爾摘自微信公眾號“科學(xué)世界”）