開(kāi)辟壓力計(jì)量和真空計(jì)量新領(lǐng)域的美妙四重奏4——托里拆利的發(fā)現(xiàn)

托里拆利（1608年-1647年）首先要解決的問(wèn)題，就是困惑伽利略的那個(gè)問(wèn)題：為什么即使用吸力最大的水泵，最多也只能讓水升到10 米（33英尺）左右的高度？托里拆利對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，最后毅然否定了“自然厭惡真空”這一毫無(wú)根據(jù)的臆斷。他從力學(xué)視角出發(fā)，認(rèn)為伽利略“空氣有重量”的猜想是正確的，設(shè)想空氣有一定的重量，并認(rèn)為10 米水柱重量產(chǎn)生的壓強(qiáng)應(yīng)當(dāng)與大氣壓力相平衡。

他決定用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的設(shè)想。但是，在實(shí)驗(yàn)室里用這么大的裝置做實(shí)驗(yàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，于是他就用一個(gè)微縮模型來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題。他想出用汞（水銀）柱代替水，測(cè)量真空的阻力，由于水銀的密度約為水的14倍，他期望得到水柱高度約為1/14的汞柱高度。

1643年，他和伽利略的學(xué)生維維安尼一起進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他將一根１米多高且一端封閉的玻璃管裝滿水銀，用拇指始終按著開(kāi)口的一端，然后把它倒置在裝滿水銀的盤(pán)子里后，移開(kāi)大拇指。一些水銀從玻璃管流到的水銀盤(pán)中，水銀柱的高度降到760毫米處。但是，是什么阻止了水銀全部流出呢？托里拆利推測(cè)：水銀在管內(nèi)的高度是因大氣的重量壓迫槽內(nèi)的水銀所致，水銀柱下表面的氣壓顯然足以支撐760毫米高的水銀柱的重量，而在水銀柱上方的空間是一真空。這是第一次在實(shí)驗(yàn)室制造出真空，并被如此解讀。

這個(gè)科學(xué)史上有名的實(shí)驗(yàn)后來(lái)被稱作“托里拆利實(shí)驗(yàn)”。這一實(shí)驗(yàn)表明，汞柱上方玻璃管頂部的空間是真空。托里拆利將真空的概念從古時(shí)的辯證法帶到了實(shí)驗(yàn)物理中。人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了大氣壓，也確鑿無(wú)誤地發(fā)現(xiàn)了真空，解決了兩千年來(lái)有關(guān)真空的哲學(xué)辯論。從此，壓力計(jì)量和真空計(jì)量也就成為了現(xiàn)實(shí)。

托利拆利在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)明了水銀氣壓計(jì)，利用管中水銀的高度來(lái)測(cè)量氣壓。他還注意到，玻璃管中水銀柱的高度每天隨著天氣的變化而稍有不同，由此他推斷出每天的大氣壓也會(huì)發(fā)生變化。直到今天，氣壓還是天氣預(yù)報(bào)中最重要的因素之一。

（郭天太供稿）