物理大发现:大气压

有这样一句成语:“重如泰山，轻如鸿毛”。泰山的重量是显而易见的。有比羽毛更轻的东西吗？是的。那是空气。现在已知水的密度为1，羽绒服的密度约为0.23，而空气的密度仅为0.0128。空气如此之轻，以至于它的存在在许多场合被忽略了。意大利物理学家伽利略第一个注意到空气的重量。他密封了一个空瓶子(里面当然有正常的气压)，并把它放在天平上，与一堆沙子保持平衡。然后他设法用一个泵往瓶子里泵入更多的空气，并再次密封。当伽利略把瓶子放回到天平上时，瓶子比那堆沙子还重。只有在沙子堆中加入一两个小沙子，平衡才能平衡。伽利略推断瓶子重量的增加是由于瓶子中空气的增加，所以空气有重量。尽管伽利略科学地确定了空气有重量，但他无法解释“大自然讨厌真空”这个老问题。自罗马时代以来，人们就注意到一种现象:当用来输送水的水管越过10米以上的斜坡时，水就不能输送了。在深度超过10米的井中，泵将不起作用。人们很早就知道，只要水管中的空气被抽出来，并且产生真空，水就会沿着水管向上流动。他们无法解释为什么水向上流动，而不是像往常一样“向下流动”。他们用亚里士多德的名言“自然讨厌真空”来解释。粗略的想法也是对的。大自然不允许真空存在。一旦真空出现，水将被用来填充它，然后水将被泵起来。无论水出现在哪里，它都遵循真空。然而，为什么水不能上升到10米的高度？尽管在11米和12米处有真空。在这方面，伽利略只能解释对自然的那种“厌恶”是有限度的。当达到10米以上的真空时，伽利略并不讨厌它，所以水不能再被抽走了。"即使聪明人三思，也会有错误."伽利略对抽水问题的解释太牵强，所以他没有触及问题的本质。伽利略的学生托里切利在老师的思想上向前迈出了一大步。他认为既然空气有重量，它就会产生压力，正如水有重量一样，它也会产生压力和浮力。正是空气的压力将水从管道中向上推至10米的高度。当水柱的重量与空气的压力完全相同时，水就不能再向上推了。为了证明这一点，托里切利设计了一个实验，并请他的助手维维恩帮忙。

用10米高的水管做实验非常不方便，因为它高达三四层。你如何观察它？托里切利聪明地使用了比水重13.6倍的水银来做实验。他有一根1米长的玻璃管，一端封闭，一端开口。薇薇安在管子里装满水银，然后用手指堵住开口的一端，把管子翻过来，使开口的一端朝下，然后把它放进一个装满水银的陶瓷罐里。当他松开压在管子上的手指时，管子里的水银迅速下落，当水银落到离水箱里水银表面76厘米的高度时，水银就不再下落了。转换后，76厘米高的水银柱产生的压力正好等于10米水柱产生的压力。这个实验生动地表明，汞罐中汞表面的大气压力正好等于76厘米高的汞柱产生的压力。托里切利设计的实验装置成为世界上第一个测量大气压力的气压计。后来，气象报告中的气压单位也表示为使用了多少厘米(或毫米)的水银。

可以肯定的是，大气中有压力。压力有多大？这方面最生动的例子发生在德国。1645年的一天，德国东南部的摄政王城引起了轰动:皇帝驾临，全城的人都出来观看一个名叫盖莱克的人的表演。广场上站着16匹骏马，分为左右两组，每组8匹。他们背对着对方，用铁链和绳子拉着一个直径25厘米的青铜真空球。这个球是Gelek事先在当地的铁匠铺定制的。它是由两个半球折叠而成的。两个半球的边缘非常光滑，因此可以紧密结合而不漏气。演出开始时，格利克用气泵将铜球中的空气抽出，然后他向两边的马夫下达命令。只听到“啪”和“啪”两声鞭子响，两侧的马夫拼命赶着马，但这些马虽然使足了力气向前拉，就是拉不开由两个半球连在一起的铜球。

皇帝和人民都惊呆了。葛利克向每个人解释道:“这里没有魔法，主要是因为铜球表面的大气压力把它们紧紧地压在了一起。如果你不相信我的话，你可以把空气放回铜球里，让两边的压力相等，这样就可以很容易地打开钢球。”说完这些话，他用双手左右拉动，铜球确实很容易打开。多么神奇的气氛啊！