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W2UCS V2.0:保温杯的历史——托里切利真空的发现

已有 1235 次阅读 2022-1-6 13:31 |个人分类:可拓学|系统分类:科研笔记

     传说1613年伽利略通过实验发现了空气是有重量。但到了20世纪,有一位研究科学发展历史的学者却很好奇,既然伽利略都发现了空气是有质量的,但为什么他没有发现大气压呢?他对伽利略的“失误”感到难以理解。认为这样明显和简单的一件事,怎么可能会被鼎鼎大名的伽利略忽略呢?后来另一位杰出美国科学家和教育家詹姆斯·科南特说:你懂什么,你压根就理解不了!科学概念的发展从来都是艰难的!

    追根溯源,不难发现大气压的是伽利略的学生托里切利,他曾表示过,自己发现的科学真理是违反直觉经验。也就是仅仅用眼睛看不出来的,甚至就算自己动手实践过,都难以理解。就像一根吸管插进水里,你认为人到底是怎么喝到水的呢? 如果仅仅用眼睛看,或者干脆找根管子来实践一下,都很容易相信“水是被吸进嘴里”的,就像当时的伽利略,他的解释是可能存在着一种真空力,即真空对物体有吸引力。但他的学生托里切利并没有迷信这种观点,而是遵循了老师的实验做法,用实验去发现,并不存在真空力,我们之所以能喝到水是大气压力导致的。到底是真空的吸引力还是大气压力,保温杯市场先驱膳魔师(THERMOS)在其创业录里提及的托里切利真空究竟是怎么一回事呢?

    1632年,现代科学实验之父伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)在意大利出版了一部天文学著作——《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo,tolemaico e copernicano,意大利语)。他的学生卡斯特利得知后,推荐给了自己的学生兼秘书托里切利(Evangelista Torricelli,1608-1647)。托里切利拜读了伽利略的这本书后,抑制不住内心的崇拜之情,他拜托自己的导师写信给伽利略,表达了自己对伽利略的敬慕之心,并表示自己也是“日心说”的支持者。但造化弄人,很快伽利略因这本书受难,次年被教廷审判后软禁在家。托里切利也因此与伽利略失去了联系,之后他放弃了天文学的研究,专心研究数学。直到1641年4月,卡斯托利将托里切利刚完成的抛物线运动论文拿给伽利略看,伽利略大为赞赏,主动邀请托里切利来做自己的助手。因家事耽搁半年后,1641年10月初,托里切利终于来到弗洛伦斯见到了伽利略,并担任伽利略的秘书帮助其记录和整理笔记,从这位伟大的科学导师那里,托里切利了解到了许多自己之前不了解的科学知识。不仅如此,托里切利还发现伽利略琢磨的“为什么水无法在水管里泵出高于34英尺(10米)高度”等问题?但遗憾的是,还没有等到实验出结果,伽利略就撒手人寰了,托里切利也因此成了伽利略的关门弟子。

   1642年,伽利略去世后,托里切利接替了伽利略在佛罗伦萨科学院的物理学和数学席位,并被任命为首系数学家,之后他有了更加稳定的收入,可以做一些实验研究,不再像以前那样只能从事理论探索。他对伽利略生前一直琢磨的水泵(抽水机)出水高度的问题也很感兴趣,所以他决定在伽利略实验的基础上进行了进一步探索。但关于水泵的问题,传说来源于伽利略在1630年遇到的一个人,这个人想用抽水机把水抽到一个21米高的小山上,但总是不成功,所以他请教了伽利略。遗憾的是,伽利略直到去世也没有给出这个问题的圆满答案,所以托里切利想用实验去验证自己新的猜想——那就是当我们已知空气是有重量的,那是否可以推断“空气可能对水施加难以置信的压力”,所以才无法泵出超过34英尺(10米)的高度呢? 首先,他相信1613年伽利略用实验证明的“空气是有重量”这一结论,但他并没有迷信伽利略所提出的“存在着一种真空力,即真空对物体具有吸引力”的观点。由于用抽水泵做实验相对比较麻烦,所以托里切利改用了密度是水的13.5倍的水银取代水,他将水银装满一米长的玻璃管中,用拇指封住管口,倒立垂直置于水银槽中,放开拇指后,水银柱即下降停留在76公分(厘米)高的位置,托里切利认为维持水银柱不坠落的正是空气重量施加于水银槽面的压力,也就是大气压力。不仅如此,经过多次实验观察,托里切利发现水银柱会因为天气变化而变化高度,阴雨天,高度更低,空气干燥的艳阳天高度就变得高一些。除了大气压力这个具有革命性概念的提出外,托里切利的实验还让人们见识到真空的存在,因此,后来水银柱上方那段真空被称为“托里切利真空”。

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    1644年6月11日,托里切利在给朋友的信中写道“我们生活在大气之海的底部”,表达了自己发现违反直觉经验的科学真理时的顿悟。作为伽利略学说的捍卫者,他的后续研究极大充实了伽利略的《两门新科学的对话》第五、六两天的内容。


参考文献:

1.https://mp.weixin.qq.com/s/Dw-WO0XNICjXey9u5u6OJA



    



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