托里拆利(1608年-1647年)首先要解決的問題,就是困惑伽利略的那個問題:為什么即使用吸力最大的水泵,最多也只能讓水升到10 米(33英尺)左右的高度?托里拆利對這個問題進行了長時間的研究,最后毅然否定了“自然厭惡真空”這一毫無根據(jù)的臆斷。他從力學(xué)視角出發(fā),認為伽利略“空氣有重量”的猜想是正確的,設(shè)想空氣有一定的重量,并認為10 米水柱重量產(chǎn)生的壓強應(yīng)當與大氣壓力相平衡。
他決定用實驗來驗證自己的設(shè)想。但是,在實驗室里用這么大的裝置做實驗顯然是不現(xiàn)實的,于是他就用一個微縮模型來研究這個問題。他想出用汞(水銀)柱代替水,測量真空的阻力,由于水銀的密度約為水的14倍,他期望得到水柱高度約為1/14的汞柱高度。
1643年,他和伽利略的學(xué)生維維安尼一起進行了實驗。他將一根1米多高且一端封閉的玻璃管裝滿水銀,用拇指始終按著開口的一端,然后把它倒置在裝滿水銀的盤子里后,移開大拇指。一些水銀從玻璃管流到的水銀盤中,水銀柱的高度降到760毫米處。但是,是什么阻止了水銀全部流出呢?托里拆利推測:水銀在管內(nèi)的高度是因大氣的重量壓迫槽內(nèi)的水銀所致,水銀柱下表面的氣壓顯然足以支撐760毫米高的水銀柱的重量,而在水銀柱上方的空間是一真空。這是第一次在實驗室制造出真空,并被如此解讀。
這個科學(xué)史上有名的實驗后來被稱作“托里拆利實驗”。這一實驗表明,汞柱上方玻璃管頂部的空間是真空。托里拆利將真空的概念從古時的辯證法帶到了實驗物理中。人類發(fā)現(xiàn)了大氣壓,也確鑿無誤地發(fā)現(xiàn)了真空,解決了兩千年來有關(guān)真空的哲學(xué)辯論。從此,壓力計量和真空計量也就成為了現(xiàn)實。
托利拆利在實驗的基礎(chǔ)上發(fā)明了水銀氣壓計,利用管中水銀的高度來測量氣壓。他還注意到,玻璃管中水銀柱的高度每天隨著天氣的變化而稍有不同,由此他推斷出每天的大氣壓也會發(fā)生變化。直到今天,氣壓還是天氣預(yù)報中最重要的因素之一。
(郭天太供稿)