第8章 “真理”失灵——托里拆利制造真空

人在真空里就无法生存，但人类生活又需要真空，没有真空，电灯泡就无法照明，没有真空，电视机就不能进入千家万户，人类不但不能享受现代物质文明的成果，也会感到极大不便。例如，在法国举行的世界杯足球赛，正是有了电视转播，才使得十几亿甚至几十亿人观看它的盛况。就说最简单的的热水瓶，也是靠了真空才达到保温的效果的。如果没有真空，人的遗体便不能保存，亿万民众便痛感遗憾于不能瞻养伟大领袖遗容。

那么是谁第一个发现真空并制造真空的呢？这个人就是17世纪意大利科学家托里拆利（Evangelista Torricelli，1608～1647，意大利物理学家和数学家）。托里拆利于1608年10月15日出生在意大利的法恩茨，幼年时期就成了孤儿。他的叔父是个学识丰富的修道土，在他的教育和影响下，托里拆利逐渐对科学产生了兴趣，对科学实验充满了热情。托里拆利在求学时已显露才华，为学校主管人、著名数学家、学者穆尼迪托·卡斯泰里（伽利略早年的学生、老友）所赏识。年轻的托里拆利爱好极为广泛。他研究数学和力学，磨制透镜，制作望远镜，证明如何用小玻璃球来提高放大倍数。这些放大镜，在100年以后仍然深受科学家的赞扬，并在微生物界促成许多重要的发现。

1627年，托里拆利18岁时毕业，被卡斯泰里任用为私人秘书。

1638年，托里拆利阅读了伽利略的著作，受到很大启发，于是自己动手撰写有关机械学的文章。1641年他发表了论文《重体运动论》，3年后又出版了第一部专著《几何学论》。在这部著作中，托里拆利运用伽利略自由落体定律解释了液体从薄容器的孔眼中流出的现象。他证明了液体从孔中流出的速度与容器中液体水平面处于同一高度的自由落体的速度相等，后来，这一关系式发展成著名的托里拆利公式。此外，他还发现从容器侧壁里流出的液体具有抛物线的形式。这些发现奠定了水动力学的基础。

1641年卡斯泰里将他正式介绍给伽利略，托里拆利便与V.维维亚尼一同给伽利略作伴。三人相处极其友善，经常讨论学术问题，直到伽利略去世。同时托斯卡纳公国大公聘托里拆利为宫廷数学家和哲学家，接替前任伽利略的职务，薪俸优厚。从此他便在佛罗伦萨愉快地度过一生，作了大量科学工作，在学术界赢得盛誉。1647年10月25日逝世。遗留的讲稿编成学术演讲集于1715年出版。

十六、十七世纪欧洲，人们普遍采用抽水机抽取煤矿井下的积水。那时的抽水机很原始，用一根又粗又长的管子，里面安上一个和管子内壁配合紧密的活塞，把活塞推到管子的最下端，然后插到积水里。向上提起活塞，水就被抽上来了。为什么能把水抽上来呢？现在的人们都知道，这是大气压力的作用。可是在几百年前，人们却不懂得这个道理。他们还是沿用古希腊著名学者亚里士多德的解释：活塞上升以后，如果水也随着上升，在水面和活塞之间，就出现了真空。由于自然界是厌恶真空的，不希望真空存在，所以水也就随着活塞上升了。他把这称为真空恐怖。

可是，有一年在意大利的一座很深的矿井里，出现了“例外”。当工人使用抽水机抽水的时候，那水就像中了魔法似的，上升到10米以后，就再也不肯上升了，水管在跨越了比较高的山坡后也不能工作了。亚里士多德的这条“真理”失灵了。

技师们绞尽脑汁，对抽水机做了各种改进，仍然没有效果。人们带着这些问题前去请教著名的物理学家伽利略。遗憾的是，伽利略这时已年迈多病，双目失明，且受到教会的迫害。伽利略仅指出：“水不可能升到比20个下臂（下臂为半米）更高的高度来，甚至连20个也不能。‘真空恐怖’有自己的界限……”

“你们应当而且是务必要把这个问题弄清楚。”1642年，伽利略在临终前寄希望于他的学生们：“管子里的水只能提高到大约18个下臂长的高度，为什么就不能再高了呢？”伽利略请自己的学生托里拆利帮助解决这个问题。

当时有一个学者G.B.巴里安尼认为空气有重量，因而产生压力，从外面托起水柱。这问题引起罗马和佛罗伦萨各学派的争论。

托里拆利仔细地分析后，对亚里土多德的理论产生了怀疑。如果真是“自然厌恶真空”，为什么抽水机不能把超过10米深的矿坑中的水抽上来？空气是否有重量？真空是否存在？可是，从前的书本上早就讲过，自然界不能容忍真空，自然界尽力去占领所有能够出现没有空气的空间，这是造成“真空恐怖”的实在原因。抽水机能从井的深处把水抽出来，就是用这个道理解释的。当抽水机的活塞上升时，它就应把水带来的，以使它的下面不致出现没有空气的空间——真空。可是，为什么水只能上升到10米范围内呢？“一定有其他原因，”托里拆利想。

当时人们已经知道，空气是有重量的。不论是任何物体，有重量就会有压力。那么，水面的上升会不会是由空气的压力造成的呢？

维维亚尼说出了自己的想法，“为什么就不能再高了呢？如果是‘真空恐怖’造成的话，那么为什么只是在这个范围里起作用呢？”

“开始时，先要准确地定出由于活塞运动流入管子里的水柱的高度。”托里拆利接着说，“这需要有透明的管子，最好是玻璃制作的。”

“这可太复杂了，要制造出那么长而且又一样粗细的管子，让活塞能在里面移动，这可是太难办到了。”

“不，不，这是多余的。”托里拆利突然转向对维维亚尼说道，“这个办法靠不住。如果水进入管子靠的是‘真空恐怖’，那么，只要将管子的一端封住，为了不形成没有空气的空间，水就不会从管子里流出来。比如，用一个装满了水的锅，将它底朝地翻过来，而敞开的一面始终放在水下，那么，锅里面的水就不会流出来。”

维维亚尼点了点头说道——

“懂了！您想使一端被封闭的管子里盛满水，然后再像锅一样地翻过来，是吗？”

“对！自然界如果不能容忍真空，那么，所有的水就应该肯定都留在管子里。如果水位下降……”

“您认为它会下降吗？”

“伽利略大师说，水只能升到18个下臂长的高度，这话你听说过吗？要是水下降到这个高度停止，那么这就是个明显的标志，说明‘真空恐怖’作为规律，只能达能这个界限，或者是……”

“或者是什么？”

“或者并不是‘真空恐怖’，而是别的东西把水赶到了管子里。”

维维亚尼拍了一下自己的额头。

“需要把管子翻过来！但是，这您怎么能做到呢？要知道管子的长度至少需要20个下臂长呀！您得爬到教堂的楼上去。”

“那又怎么样？我们的导师伽利略能在比萨塔上丢下铁球，我们怎么不可以爬到某个塔上去进行水管的实验呢！”

话虽如此，可真要这样去做，却十分困难，实验也不容易操作和检验，托里拆利凝神考虑了很久，终于有了办法。

托里拆利说：“空管子里的水在18个下臂的高度上停下来。可是，如果是用较重的水呢？……”

“较重的水？”维维亚尼问道。

“是的，像水银，它要比水重13倍。因此，它的柱高可能比水柱低13倍。在这种情况下，有不到两个下臂长的管子我们就够用了。”

“可是，你为什么认为水银进入管子会比水低得多呢？”

“我是这样设想的，”托里拆利回答说：“我们应该先确定怎样使水银升高。然后我再给你解释我的想法。让我们来看一看，‘真空恐怖’是不是不容置辩的规律？”

几天后，维维亚尼开始做这个实验。他小心翼翼地拿起一个玻璃管，将水银一滴一滴地充满了管子。然后，他把管子底朝上翻过来，固定在盛有水银的小盆里。接着他又换了大小不同的管子做了起来……

“托里拆利，您的推测被证实了。我照您所说的，拿一根有两个下臂长的玻璃管，盛满了水银，将它倒过来，使开口端低于盆中水银的表面，管子里的水银柱下降了，一直保持在同一高度上，是28英寸（71.11厘米）。后来，我又用水银灌满别的管子——大的、小的、粗的、细的，在短的管子里，它差不多并不向外溢，在长管子里，正如我刚才讲过的那样，它保持在同一个高度上。”

他指了指标在管子上的同一高度线。托里拆利捋着胡须，仔细察看着这一切。

“那么，液柱的高和它们的高度成反比，水是处在18个下管长的地方，而水银则在28英寸上，在液柱的上方，也许真空确实存在。”

“而‘真空恐怖’……”维维亚尼开始似乎有点犹豫，但在托里拆利的目光鼓舞下，终于说了下去：“‘真空恐怖’并不存在！大自然不惧怕真空！然而……”他停顿了一下，“然而，那样一来，是什么东西把水赶到管子里的呢？”

“空气。”托里拆利平缓但又非常肯定地说：“在我们周围的空气压迫着水的表面，其力量使水柱停在18个下臂长时高度上，如果用其他液体，则液柱高度会随着液体本身的密度而变化。”

“空气！”维维亚尼叫了起来：“不是‘真空恐怖’驱使液体进入管里，而是空气压迫在它的表面上。”

不久，托里拆利又设想出一个新的具有决定意义的实验：在长为1米，一端封闭的玻璃管内装满水银，用手指封住管口将玻璃管倒立于水银槽内，然后放开手指，则原来达到管顶的水银将下降到高于槽中水银面的某一高度，即为76厘米。76厘米的13.6倍正是10米左右。实验结果和自己的预想完全相符！玻璃管中水银柱上面的24厘米的小空间即可视为真空。这是人类首次有意识地造成真空状态。从而证明了空气确有重量，真空确实存在。这就是最早的水银大气压力计，这一真空被称为托里拆利真空，托里拆利被誉为“真空的鼻祖”。

托里拆利的实验结果发表以后，遭到一些保守思想严重的人的坚决反对。他们说，水银柱上面不是真空，而是充满了眼睛看不见的气体，是这些气体的压力使水银柱的高度保持在76厘米的。

面对保守势力的围攻，托里拆利决定用实验证明水银柱的上面的确是真空。经过细心思索，他终于设计出了一个更加巧妙的实验。这一次，他准备了一个大一点的槽子，底下是水银，上面是水。接着，他重复了前边实验过程。当管里的水银柱保持在76厘米的时候，他把玻璃管慢慢向上提，管口被提到水槽里水银和水的交界面以上时，由于管里的水银很重，一下子都流了出来，同时由于大气压力的作用，水在一瞬间充满了全管。

这个实验有力地证明，在托里拆利进行的实验中，管里水银柱的上方确实是真空的。如果水银柱的上方有气体，那么当水流进去的时候，也应该只上升到76厘米的高度。实验结果恰好相反，在铁的事实面前，保守势力哑口无言了。

以前，人们相信“真空恐怖”的说法。什么叫“真空恐怖”呢？这个理论认为，自然界不能容忍真空。如果有可能出现没有空气的真空，自然物就会拼命去占领，由此得出结论说，自然界害怕真空，因此被称为“真空恐怖”。从前就是用这个错误理论来解释虹吸管，水随着抽水机活塞上升等现象的。似乎水因为恐惧真空，才随着抽水机上升，沿着虹吸管爬坡时“真空恐怖”的谬论对人的禁锢太厉害了，甚至伽利略这样天才的科学家都相信。

托里拆利经过实验，第一次正确地解释了这些现象的原因最大气压力，空气有重量，其压力压迫液面，托着玻璃管中的水或水银保持一定的高度。加大空气的压力，高度必然上升。根本没有什么“真空恐怖”！

托里拆利对大气压力的研究工作和所发明的水银柱式大气压力计不仅在意大利，而且传到法国后，也都掀起有关实验和理论工作的热潮，使得西欧物理学界的研究活动为之一新。