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[物理史] 托里切利(Evangelista Torrice

2020-06-10 来源:R蕙生活



(译自APS News,2012年10月)

[物理史] 托里切利(Evangelista Torrice

托里切利(Evangelista Torricelli)

托里切利(Evangelista Torricelli)出生于卑微的家庭,最后晋身于义大利的知识界。他引领义大利,之后甚至全球,解决了两千年来有关真空、以及空间本质的哲学辩论。托里切利因做了一个简要明确的物理实验,经了解后得到了答案,所使用的设备也是一个实用的发明─水银气压计。

托里切利于 1608 年 10 月 15 日出生在义大利法恩扎(Faenza, Italy),自幼遭父亲遗弃,所以被带到罗马接受教育。他在那裏出色的表现引起了人在佛罗伦斯的伽利略(Galileo)的注意,于是他搬去佛罗伦斯和伽利略住在一起。伽利略当时正全力思考托斯卡掘井师傅们所面临的一个难题;他们每次试着用抽水机将水往上抽大约 10 公尺后,即会感到很洩气,因为当他们努力要再抽高一点时,水就会从抽水机的活塞分岔开来,而无法再往上。这是因为活塞下形成了真空吗?他们问伽利略,为什幺水无法再往上抽高呢?伽利略认真地思考此问题,可是直到他 1642 年过世时,此问题仍是无解。

之后于 1644 年,托里切利着手研究此问题。在检视先前的实验后,他自己做了实验。实验的装备是一个一端密封,长约 1 公尺的玻璃管,托里切利在管内灌满了水银后,将开口的一端盖住,再将其翻转倒立在水银槽中。这个实验并不像现在听起来如此容易做,玻璃管在当时易碎,又难取得,当灌满 1 公斤的水银时常会破掉。幸好有一位技术高超的助理帮忙,实验才得以完成。结果是管内的水银下降了,在槽面上方大约 76 公分处才稳住下来。托里切利正确地推测说,水银在管内的高度是因大气的重量压迫槽内的水银所致,而在水银柱上方的的空间是一真空。这是第一次在实验室製造出真空,也被如此解读。

真空的概念自古以来一直都有争议性,柏拉图和亚里斯多德两人都认为真空是不可能存在的,是违反大自然的。在中世纪欧洲,人们以一句话做总结:「大自然憎恨真空」,讨论真空成了异端而且危险。

「Vacuum(真空)」这个字在英文中最早出现于 1550 年,被坎特柏立的大主教克兰默(Thomas Cranmer)在他的着作,英格兰教会核心文献的《公祷书》(Book of Common Prayer)中所引用。他部分做为神学辩论所使用的词语「大自然的道理憎恨真空,真空是指,没有任何物质的空间。」被《牛津英文大字典》所引用。这已是被认可的见解,但随着天主教玛莉女王于 1553 年登基,正统的说法改变了,克兰默于 1555 年因异端邪说被判有罪,隔年在火刑柱上被烧死。

托里切利的成就在于将真空的概念从古时的辩证法带至实验物理中,但他注意到真空想法的争议性,所以一开始并未将他的实验公诸于世,只在写给朋友瑞奇(Michelangelo Ricci)的信中提及。1644 年 10 月,法国科学家梅森(Marin Mersenne)拜访托里切利,托里切利为他重複做相同的实验,还将他写给瑞奇的信拷贝一份给他。梅森将信带给帕斯卡(Blaise Pascal),以及在法国的其他科学家,首度将托里切利的研究公开。

帕斯卡立即了解实验的意义,于 1646 年亦做了相同的实验。他相信大气压力会随着高度而降低,于是雇用了一位亲戚和几个朋友,帮忙携带气压计到法国南部的山上。他们发现大气压力如预期地随着高度而降低,奠定了气象学的基础。

帕斯卡知道气压等同于单位面积上大气的重量,他将此和地球表面的面积结合起来,算出了大气的总质量。他的结果比目前被接受,从《化学物理手册》(The Handbook of Chemistry and Physics)所引用的数值少些,但相差不超过 30%。关于计算方面,帕斯卡注意到「知道加减的小孩都会算」,为法国的学校制度强力背书。

托里切利的装备是最早的水银气压计,后来的气压计都做了些许的改进,以增加数值显示的準确度,但基本的设计维持不变。他的气压计在全球的气象站做为测量大气压力的参考标準长达超过 3 个世纪,这也许是一个相同设计的仪器被使用最久的纪录。1977 年,美国国家气象局终于宣布要以最新研发的压电石英晶体气压变换器来取代水银气压计,做为参考标準。

托里切利处于时空的转捩点上,以一个简要漂亮的实验,让两千年来以哲学语词论述的真空和空间的本质,被实验物理论述的现代观点所取代。在 20 世纪,物理学家超越更多,他们发现,真空并非是「没有任何物质的空间」,而应该是一个充满惊奇的真空:电磁辐射,包括大爆炸的最后喷出;大量的虚粒子与反粒子对;受重力弯曲而不成形的空间─这些对早期的物理学家来说全都难以想像。

继气压计的研究之后,托里切利还研究数学和物理。他推导出容器中液体从小孔流出的速率公式,是大家所知道的托里切利定理。托里切利于 1647 年病逝于佛罗伦斯,时年 39 岁。1864 年,义大利法恩扎盖了他的纪念雕像。


原文刊载于物理双月刊2013年10月号35卷第5期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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