• How the Inquisition led to the Vacuum Pump: Weight of Air & How a Barometer Works[1]

01 真空泵

一、前言

??人們對(duì)一件事情進(jìn)行追尋過程是如何導(dǎo)致真空泵的發(fā)明？ 這與電又有什么關(guān)系呢？ 在 Kathy 老師講述的這段歷史中包括有空氣的重量、耐心的公爵、驚恐的伽利略、不幸的表面毛發(fā)、包括有24匹駿馬的演示實(shí)驗(yàn)以及利用有味道硫磺球所做的愚蠢實(shí)驗(yàn)。

▲ 圖1.1 伽利略

二、伽利略與空氣重量

??故事還得從1633年說起，哪一年70歲高齡的伽利略沒有趕上新冠疫情，但卻接連碰上了一系列的麻煩。羅馬教會(huì)對(duì)他非常不高興，因?yàn)檫@個(gè)老頭居然聲稱地球是圍著著太陽旋轉(zhuǎn)，意味著地球不再是宇宙的中心。 后來他為了保全自己，曾在宗教審判所主教面前反對(duì)過那些聲稱太陽是宇宙中心的異端邪說。

??由于無法繼續(xù)研究天上的星星，所以他將30年積累下來的和行星無關(guān)的物理學(xué)資料集結(jié)成冊(cè)出版。對(duì)此羅馬教會(huì)并不知曉，但這本出版的著作更具有顛覆性和叛逆性。

▲ 圖1.2 伽利略聲稱反對(duì)太陽中心異端邪說

??伽利略做了很多關(guān)于運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，比如設(shè)想從比薩斜塔上丟下不同重量的金屬球，由此他開始考慮空氣的阻力，包括空氣的重量。什么是空氣，它有重量嗎？ 伽利略決定通過直接在天平上測(cè)量空氣的重量來解決這個(gè)問題。他制作了一個(gè)插有麥稈并有閥門的瓶子，將其放在天平上。向其吹入更多的氣體之后，發(fā)現(xiàn)瓶子微微增加了幾個(gè)砂粒的重量。將壓縮氣體釋放后，重量又減少了幾個(gè)沙粒。

??由此證明了空氣是有重量的，但相比于水來說空氣的重量是多少呢？于是他又向玻璃瓶中注入四分之三的水，在此過程中沒有釋放其中的空氣，所以里面的空氣是被壓縮的。首先他稱量帶有壓縮空氣的瓶子重量，然后再將空氣釋放，重新進(jìn)行稱量。假設(shè)從瓶子中釋放的空氣的體積與其中的水的體積相同，他得出一個(gè)結(jié)論，空氣的重量比同體積的水輕了400倍左右。

??是否聽起來并不多，是吧？對(duì)于一個(gè)瓶子來說的確空氣的重量輕如鴻毛。但考慮一下一個(gè)巨大建筑物中的空氣，比如羅馬的帕臺(tái)農(nóng)神殿中的所有空氣，你如果將其在天平上進(jìn)行稱量的話，空氣重量是多少呢？ ?一磅？?jī)砂酰渴?？一百鎊？ 注意了，實(shí)際上帕臺(tái)農(nóng)神殿中空氣的重量為十五萬磅！ 聽起來的確令人震驚，這個(gè)數(shù)字也令伽利略感到驚慌。于是他決定承認(rèn)瓶裝的空氣具有重量，一旦釋放空氣就不再有重量了，這的確是伽利略犯的一個(gè)錯(cuò)誤。

▲ 圖1.3 帕臺(tái)農(nóng)神殿中的空氣重量

三、托里拆利與大氣壓

??1630年佛羅倫薩的大公嘗試將水抽向山頂，但所有的水泵無法將水提升超過33英尺的高度，沒有人知道這究竟是什么原因。對(duì)此伽利略有了解釋方案，這一切都與空氣重量有關(guān)。在伽利略去世前三個(gè)月，他聘請(qǐng)一位聰明的助手，這些伙子長(zhǎng)著夸張巨大的山羊胡子，還起了一個(gè)女里女氣的名字，埃萬杰利斯塔·托里拆利。托里拆利并不理會(huì)伽利略對(duì)空氣重量的擔(dān)憂，他認(rèn)為無時(shí)無刻擠壓我們的空氣，是從各個(gè)方向產(chǎn)生作用力，所以我們感受不到這種壓力，我們浸泡在空氣海洋里生活。

▲ 圖1.3.1 埃萬杰利斯塔·托里拆利

??關(guān)于抽水機(jī)最大揚(yáng)程的問題，托里拆利認(rèn)為這與抽水機(jī)的吸力無關(guān)，這是因?yàn)榭諝獾膲毫ψ饔?，而真空并沒有反向的壓力。在1644年，托里拆利利用水銀做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了空氣的壓力。之所以采用水銀替代水，是因?yàn)樗y比水重了十三倍。水可以形成33英尺高的水柱，水銀則只能形成2.5英尺高的水銀柱，這個(gè)高度比較好控制。

▲ 圖1.4 托里拆利的水銀柱實(shí)驗(yàn)

??托里拆利使用一個(gè)3英尺長(zhǎng)的玻璃管，將其灌滿水銀。封死玻璃管底部后倒立過來放入另外一盆水銀中。當(dāng)?shù)撞糠饪谌コ?，大約半英尺高的水銀流出了玻璃管，頂部形成空無一物的真空，這個(gè)過程中沒有空氣可以進(jìn)入。托里拆利沒有通過抽取過程就獲得了真空，他的裝置可以懸浮水銀，似乎具有可以抵抗重力的神奇特性。外部的空氣在玻璃杯水銀表面施加壓力，玻璃管頂部真空中沒有相應(yīng)的壓力推動(dòng)水銀往下，所以是空氣壓力托住了懸浮的水銀柱。實(shí)際上空氣的壓力隨著高度會(huì)改變，或者在一場(chǎng)風(fēng)暴之前氣壓也會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)水銀柱的高度也會(huì)相應(yīng)的生改變。這就是為什么大氣壓通常使用毫米汞柱來表示，或是使用單位“torr”，來自于小伙子托里拆利的名字。他發(fā)明的這個(gè)測(cè)量壓力裝置也被稱為 barometer。

四、居里克與真空

??下面我們講講一位德國(guó)政治家，名叫奧托·馮·居里克。居里克實(shí)際上是世界上利用托里拆利裝置來預(yù)測(cè)風(fēng)暴的第一人，所以被人稱為氣象學(xué)之父。但他本人卻對(duì)水銀氣壓計(jì)頂部的真空特別感興趣。他想如果是重力拉扯液體往下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了頂部的真空，那么也可以使用水泵的抽力同樣能產(chǎn)生真空。在1640年晚些時(shí)候，居里克在一個(gè)木桶里灌滿了水并將其密封，使用從消防部隊(duì)借來的水泵將水從木洞里抽出。但很不走運(yùn)，空氣仍然可以滲入木桶。

▲ 圖1.5 居里克的真空實(shí)驗(yàn)

??后來他又使用金屬容器做實(shí)驗(yàn)，在此過程中金屬容器突然壓扁破裂了。最后他制作了兩個(gè)直徑20英寸特別厚實(shí)的銅質(zhì)半球， 可以將它們扣成一個(gè)整球做實(shí)驗(yàn)，這一次成功了。令他抓狂的是無論如何他也沒有辦法將其中的水全部抽干。在1650年他有了一個(gè)主意，他實(shí)際上不需要借助水，而是將水泵修改成可以抽取空氣的空氣泵即可。

??于是居里克發(fā)明了抽真空的裝置，它包含有一個(gè)圓柱體，一個(gè)活塞以及兩個(gè)閥門。當(dāng)他往外拉活塞的時(shí)候，空氣膨脹進(jìn)入圓柱體。當(dāng)他推動(dòng)活塞時(shí)，又將空氣從另外一個(gè)閥門釋放到空氣中。在他應(yīng)用這個(gè)真空機(jī)抽取銅球內(nèi)部的空氣后，兩個(gè)半球就像被超級(jí)膠水粘合在一起。當(dāng)打開閥門放入氣體之后，兩個(gè)半球又相互分離。

▲ 圖1.6 抽真空的兩個(gè)半球

??正如托里拆利那樣，居里克展示了空氣的威力。當(dāng)把空氣從圓球內(nèi)移除，外部的空氣壓力作用在球的表面，而內(nèi)部沒有了反向壓力。所以如果想將兩個(gè)半球分開，你必須施加與外部空氣壓力相同的作用力才行。這個(gè)壓力大的出奇，超出了一般人的想想。

??還是城里人會(huì)玩，居里克一開始讓幾個(gè)彪形大漢在這真空半球上表演拔河比賽，后來甚至使用兩個(gè)馬隊(duì)來拉扯兩個(gè)巨大的真空半球，演示效果非同凡響。

▲ 圖1.7 居里克使用馬隊(duì)來拉扯真空半球

五、硫磺地球模型

??那么話又說回來了，這些真空實(shí)驗(yàn)與電有什么關(guān)系呢？ 雖然真空泵是一個(gè)非常實(shí)用的設(shè)備，這也對(duì)發(fā)明內(nèi)燃機(jī)起到了關(guān)鍵作用，但居里克對(duì)于這些實(shí)際用途并不感興趣，他癡迷于理論研究。就像早年間的伽利略那樣他相信地球是圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，同樣也認(rèn)為太空中是空無一物，是真空狀態(tài)。他制作的真空泵就是來證實(shí)真空是出存在的。居里克通過理論和實(shí)驗(yàn)來證明真空的存在，也展示了我們生存在空氣海洋中。

??居里克所缺失的是對(duì)地球的模擬實(shí)驗(yàn)，由此產(chǎn)生了一個(gè)非常奇怪的想法。他在木棒一頭上固定一個(gè)散發(fā)難聞氣味的硫磺球，使用這個(gè)裝置來模擬地球，利用硫磺球上的摩擦靜電來模擬地球引力。為什么使用硫磺球來模擬地球，居里克從未提起其中的緣由，我們也不好問，但的確這個(gè)硫磺球擺弄起來非常麻煩，氣味更別提了，就像腐爛的臭雞蛋。對(duì)此，我們能夠猜測(cè)他使用硫磺球來模擬地球的理由，是因?yàn)樵谝恍┗鹕娇谕ǔ?huì)聞到富含硫磺的氣體，所以居里克認(rèn)為使用硫磺球來模擬地球非常地道。

▲ 圖1.8 居里克使用硫磺球來模擬地球

??不管怎樣，居里克通過摩擦硫磺球使其帶電，然后可以吸引起樹葉和羽毛。當(dāng)然這是一個(gè)非?；奶瓶尚Φ牡厍蚶碚?，與地球引力沒有什么關(guān)系。居里克在擺弄這個(gè)非常有味道的硫磺球的過程中他獲得了一些關(guān)于電的新的知識(shí)。他檢測(cè)到每過一段時(shí)間，一些被吸引在硫磺球表面的小物體會(huì)墜落掉。情況還不是這么簡(jiǎn)單，它們不是自由掉落而是和硫磺球之間形成排斥力，是被從靜電球表面推開的，這種推力可以讓它們?cè)谑覂?nèi)空氣中相互追逐。換句話說，靜電不僅使得物體相互吸引，還可以讓他們相互排斥。

▲ 圖1.9 ?物體之間的靜電排斥力

??居里克的書籍非常流行，在歐洲掀起了一場(chǎng)研究真空的學(xué)習(xí)熱潮。他關(guān)于地球模型的工作由于太過魔幻通常被人們忽略了，但大多數(shù)歐洲人正是通過他的實(shí)驗(yàn)了解了靜電可以產(chǎn)生排斥力。

六、結(jié)束語

??也正是居里克關(guān)于真空的研究激發(fā)了下一波在電學(xué)方面的突破，晃動(dòng)的水銀氣壓計(jì)，吝嗇的牛頓和他那沒有被重視的助手，制造了人類第一個(gè)熒光燈，這個(gè)發(fā)明比起電池的出場(chǎng)幾乎提前了一個(gè)世紀(jì)，比第一個(gè)商用熒光燈的出現(xiàn)早了兩個(gè)世紀(jì)。

參考資料

[1]

How the Inquisition led to the Vacuum Pump: Weight of Air & How a Barometer Works: https://www.youtube.com/watch?v=oooS4Odq3PY&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=3