看不見、摸不著的“壓力山大”

于鵬翔

編者按：你坐過飛機嗎？在飛機急速升降時，人們常常會覺得耳朵不舒服。這是因為氣壓急速改變，擠壓耳膜所引發的正?，F象。我們都知道人類離不開空氣，但看似輕飄飄的空氣，實際上會產生巨大的壓力。人們什么時候認識到這個壓力，科學家又是怎么發現它的奧秘的呢？

一個實驗驚世人

1654年5月8日，晴空萬里，微風習習。在德國（當時還是神圣羅馬帝國的一部分）的雷根斯堡城郊外廣場上，大群市民聚在一起，望向廣場的空地。這天既不是節日，也沒有大型聚會，他們在關注什么？

此時，一個人正拿著兩個半球緩緩走來。他的身后，助手們手里拿著一堆管子和一些奇奇怪怪的物件跟隨著。而廣場的空地上，一群駿馬和馬夫早已等候多時，駿馬不耐煩地踏著蹄子，揚起了陣陣灰塵。

看到主角登場，市民們開始竊竊私語：“市長手里拿的是什么東西？”

“似乎能拼起來，難道是要表演雜技？”

“聽說這是要我們看到空氣的力量，空氣怎么還能有力量？”

“這些馬是干什么的？是要舉行賽馬比賽嗎？”

…………

被稱為市長的正是拿著兩個半球的馬德堡市市長，叫奧托·馮· 格里克。這位市長不僅是官員，也是一位科學家和發明家。他的助手拿著的正是他發明的真空泵。格里克走到廣場正中，和助手一起開始組裝他的實驗設備：他們把兩個銅質半球中間墊上皮革，再把兩個半球殼灌滿水，確認無誤后嚴絲合縫地裝在一起。緊接著，助手把真空泵接到銅球上，開始向外抽水。同時格里克向眾人介紹說，這個球直徑14 英寸（大約36 厘米），中間用浸滿了油的皮革密封，保證空氣不會進到球里面，現在里面充滿了水，助手用真空泵抽出里面的水，球里面就是真空的，只有周圍的空氣壓著這個球，兩隊馬向相反的方向拉這個球，直到兩個半球分開。

在高頭大馬的襯托下，這個銅球顯得十分小巧。在場的人都不太相信能有什么力量可以抵住兩邊馬匹的力量。隨著馬夫的吆喝，大家也都瞪大了眼睛，看兩邊的馬嘶叫著用力，中間的兩個半球似乎被施了魔法，緊緊地扣在一起，抵抗著兩邊馬匹的拉力。眼看拉不開，馬夫開始給兩邊增加馬的數量，一匹、兩匹……一直到兩邊各有八匹馬。隨著砰的一聲巨響，人群中發出一陣驚呼。因為僅僅依靠空氣的力量，居然用了十六匹馬才把兩個半球拉開?？諝饩谷挥羞@么巨大的力量！

人群中的格里克露出了微笑——這一次，他向世人展示了科學的力量，也為遠在意大利的托里拆利正名。

我們生活在空氣的海洋中

這個托里拆利是誰？這里面究竟有什么故事呢？讓我們先來到17 世紀初的意大利。

這時，世界上有很多人住在山上。他們用水很困難，需要將水一桶一桶地從山腳提到家里。而意大利人已經用上了方便的吸水管——管子的一端被放在水井中，人們把另一端的空氣抽走，水就會自動從低處升到高處。但為什么水會自行向高處流，當時的人沿用了亞里士多德的觀點：“自然界討厭真空?！币坏┱婵债a生，就會有東西將它補滿。

有人發現了一個問題，一旦管子的高度差超過10 米，無論他們如何努力，水都無法再往上升了。1630 年，工程師喬加利亞諾寫信給伽利略，問他為什么自己設計的用于將水輸送到 12 米高的山上的吸水管無法工作。伽利略思考了這個問題，提出了自己的想法：空氣是有重量的，真空也是可以存在的，而且真空也可以產生力量，叫作真空力。正是這個真空力從上面吸引水往高處流。之所以水無法再提高，就是因為真空力已經到達了極限。但是空氣的重量從何而來，這個真空力又是什么，伽利略并沒有給出答案。

1640 年，相信“實驗出真知”的伽利略和他的兩個助手在意大利佛羅倫薩的一口水井中開展了一場實驗：他們將一根管子放進水井中，由兩人用抽水泵抽出管子里的空氣，但無論他們多么努力，果真水位在井中水面約10 米高。到底是什么原因讓管子中的水只能有這么高？是真空力真的有極限嗎？不同粗細的管子里面的水的重量是不一樣的，為什么真空力都是只能提水到約10 米高？

兩年之后，伽利略去世了。當年的助手繼承了老師的衣缽成了新的研究者，而這位助手正是我們剛剛提到的托里拆利。他結合老師之前的研究，有了一個想法：提水的力量不是真空的力量，而是空氣的重量，水能提到10 米高，是因為這個高度的水產生的壓力和空氣（大氣）產生的壓力正好相同。如果真是這樣，那么密度不同的液體在管子中的高度就應該是不一樣的。

為了證實自己的猜想，托里拆利選擇了一種密度很大的液體：水銀。水銀的密度是水的13.6倍。如果大氣有自己的重量，能把水壓到約10 米，那么對應的，水銀就應該被壓到約10/13.6 米（70 多厘米）這么高。1643 年，托里拆利用一支約一米長的玻璃管進行了實驗。玻璃管一頭密封、一頭開口，他把玻璃管中灌滿水銀，然后用手指頂住管口，將其倒插進裝有水銀的槽里，放開手指后，水銀的頂部不出所料地下降了。管子上部留出的這段空間里面正是真空，而管子下面仍充滿水銀。很快，水銀的高度穩定了下來，不出所料，這個距離正是70 多厘米。之后，托里拆利不斷地改變實驗方式，他發現無論是改變管子的粗細、管子上端的形狀，還是傾斜管子，水銀的高度都維持在同樣的高度。直到有一天，風雨交加，托里拆利繼續自己的實驗，但是這次水銀的高度卻降低了。管子沒有變、水銀沒有變、實驗步驟也沒有變，這時候他恍然大悟：管子中液面高度之謎的答案不是液體自身的重量，也不是什么真空力，而是大氣的變化。

大氣是有重量的，對它下方的物體產生壓力。而管子中水銀柱維持在一定高度，是因為大氣給了水銀槽壓力，管子上空的真空沒有大氣壓力，所以水銀被大氣從水銀槽擠到了管子里面，同樣環境中氣壓不變，水銀柱的高度也不變。而水能達到的高度更高就是因為水的密度更小，大氣可以把水壓得更高，但是也有限度，這個上限是10.336 米。幾十年的水管之謎終于得到了答案，而水銀上方的那部分真空也被叫作托里拆利真空，表示真空度的單位被叫作托（符號為Torr）。將細直管內的水銀頂高一毫米的壓力就是一托。這種實驗設備也被叫作托里拆利氣壓計。

1644 年，托里拆利在給朋友的一封信中寫了一句著名的話：我們生活在空氣海洋之底，氣壓是無處不在的。

科學家們對于大氣的認識越來越準確。但是大眾對于這種看不見、摸不著的知識依然存在疑問，于是才有了我們開頭看到的一幕，格里克用更加直觀的實驗讓大家相信了我們生活在大氣的海洋中。

數學天才的實驗

托里拆利揭開了氣壓奧秘的一角，消息傳到法國，另一位天才登場了。這個人叫帕斯卡，1623 年出生于法國，母親早逝，父親是一位稅務官員。因為帕斯卡從小體弱多病，父親擔心他精力有限，沒有讓他過早研究數學，而是去學習了當時更加有用的拉丁文和希臘文。但是興趣是擋不住的，有一次當他的父親看到12 歲的帕斯卡在墻邊演算幾何題時，這位精通數學的官員終于肯定了帕斯卡的數學能力，允許他去系統地學習數學知識。16 歲時，帕斯卡寫了一篇關于圓錐曲線的內接六邊形的短篇論文，其中的方法就是至今依然廣泛使用的帕斯卡定理。帕斯卡的作品十分成熟，以至于當時著名數學家笛卡兒看了他的手稿后，拒絕相信這是一位16 歲的少年所寫。帕斯卡一生在數學上有諸多貢獻：在幾何學上有帕斯卡定理；在代數上有帕斯卡三角形；通過討論擲骰子時某種組合出現的概率，他還為近代概率論奠定了基礎；為了減輕自己父親的計算負擔，他甚至發明了世界上最早的計算器之一。

當托里拆利提出的氣壓相關理論和實驗傳到法國的時候，還有很多人不相信。人們承認托里拆利的實驗，但是認為水銀柱上方不是真空，而是一種“氣”，是這種氣牽引水銀柱上升。帕斯卡贊成托里拆利的分析，他的證明方法依然是實驗。他用兩根一端被封閉的管子，一根裝水，一根裝葡萄酒。實驗前，他問大家，哪一根管子中的液體在實驗時會變得低一些？人們普遍回答說是葡萄酒，因為葡萄酒比水更易揮發，會揮發出更多的氣體把液柱壓下去。但是最終的實驗結果與人們的預期完全相反，裝有葡萄酒的管子里的液柱比裝水的那個更高，這表明葡萄酒上面并沒有產生會把液體壓下去的“氣”。實際上，是因為葡萄酒比水的密度更低，它的液柱才被大氣壓得更高。

與此同時，帕斯卡也在深刻地思考什么是氣壓。葡萄酒和水的實驗證明，如果液柱上方是真空的話，能夠支撐液柱不落的原因只有一種解釋：是周圍空氣的壓力。氣壓來自大氣的重量，位置越高，空氣密度就會越小，也就是說高空的氣壓要比地面的氣壓小。如果能測出氣壓隨高度的變化而變化的具體情況，就能揭示氣壓的本質，而驗證思考的最好方法依然是實驗。帕斯卡的家鄉就有一座高山，但是因為擔心自己的身體狀況，于是帕斯卡委托自己的姐夫佩里埃去開展實驗。佩里埃拿著氣壓計一邊爬山一邊測量，發現果真是海拔越高，水銀柱就越低，山頂處水銀柱的高度比在山腳處少了8.5 厘米。帕斯卡得到這個結果后很興奮，前往巴黎一座高約50米的塔上做了同樣的測試，也得到了同樣的結論。

由此，帕斯卡證明了我們生活的空氣存在壓力，并且空氣因高度不同而產生密度差異，進而造成氣壓不同。他還發現氣壓與天氣也存在關系——下雨天的氣壓會比晴天的氣壓更低。 帕斯卡揭開了氣壓的奧秘，為了表彰紀念他的功績，后人用帕斯卡（符號為Pa）作為壓強的國際單位。

生活中的氣壓

氣壓到底有多少力量呢？國際上是這樣規定的：溫度為0℃、緯度45 度海平面上的氣壓被稱為1 個標準大氣壓。1 個標準大氣壓=101325 帕斯卡=10.336 米水柱=760 毫米水銀柱=760 托。看，帕斯卡和托里拆利在國際單位上再次相遇了！

水銀氣壓表上的數值為760 毫米水銀柱高。這相當于1 平方厘米的面積上承受著1.0336 千克重的大氣壓力。這個壓力有多大呢？你伸開手掌，手掌面積大約是100 平方厘米，此時手上相當于承受著100 多千克的重量。你是不是覺得很奇怪，這么重為什么一點兒感覺都沒有？這是因為在你手掌的下方，也有一個這么大的力量在支撐，兩者相抵，你就感受不到重量了。我們的身體時時刻刻都在承受著這樣的氣壓，而之所以感受不到，也是因為我們身體適應了氣壓平衡狀態。距離地表越高，氣壓就越低，因此飛機在高空飛行時會給機艙內部加壓。在遠離地面的太空，氣壓幾乎為零，因此航天員在出艙進行太空作業的時候，航天服除了要提供氧氣，也要進行加壓設置。

在氣象領域，氣壓的變化是天氣變化最直接的指示之一。地面很熱的時候，近地空氣會受熱膨脹，地表氣壓就會下降，此時升到高空的空氣有可能會形成一場突如其來的傾盆大雨。也就是說，突然的低壓就是提示我們出門要帶傘了?？諝庾兝涞臅r候會收縮下沉，導致地表氣壓增加，所以突然的高氣壓預示著我們可能會遇到降溫但是晴朗的天氣。

在氣象學中，我們經常會用千帕斯卡（簡稱千帕，符號為kPa）或者百帕斯卡（簡稱百帕，符號為hPa）來表示氣壓。通過氣壓圖中的氣壓高低分布和數值差異，天氣預報員可以很快分析出風向和風力大小，就像我們見到山的坡度方向和高矮就能判斷出山坡上水的流向和流速一樣。

生活中的氣壓無處不在，你都在哪里發現過它們呢？炎熱的夏天，喝一杯冷飲再愜意不過了。當你用力嘬吸管喝到杯子里的飲料時，有沒有想過是你讓吸管里產生了真空，從而讓大氣把飲料壓進了你的嘴里？下次你嘬緊喝飲料的吸管時，注意吸管里的飲料不會落下，就跟當年托里拆利的實驗一樣。當你把一個真空掛鉤按緊在瓷磚墻上，讓它能夠穩穩固定的并不是塑料的黏性，而是大氣壓力，這和格里克所做的馬拉半球實驗如出一轍。當你爬山的時候，可以拿出一個氣壓高度計去查看此處的氣壓和高度，這正是帕斯卡給我們留下的財富。

從伽利略猜想真空力，到托里拆利實驗證明大氣擁有壓力，再到帕斯卡實驗證明了氣壓的存在和變化，人類對于氣壓的認識越來越深刻，但是關于這個神奇的世界，我們依然存有很多疑問，其中可能還存在著很多類似“自然界討厭真空”的錯誤說法。別忘記，我們要像發現氣壓的這些科學家一樣，帶著大膽的猜測、縝密的思考和細致的驗證去一點一點解開科學世界里的未解之謎。