看不见、摸不着的“压力山大”

于鹏翔

编者按：你坐过飞机吗？在飞机急速升降时，人们常常会觉得耳朵不舒服。这是因为气压急速改变，挤压耳膜所引发的正常现象。我们都知道人类离不开空气，但看似轻飘飘的空气，实际上会产生巨大的压力。人们什么时候认识到这个压力，科学家又是怎么发现它的奥秘的呢？

一个实验惊世人

1654年5月8日，晴空万里，微风习习。在德国（当时还是神圣罗马帝国的一部分）的雷根斯堡城郊外广场上，大群市民聚在一起，望向广场的空地。这天既不是节日，也没有大型聚会，他们在关注什么？

此时，一个人正拿着两个半球缓缓走来。他的身后，助手们手里拿着一堆管子和一些奇奇怪怪的物件跟随着。而广场的空地上，一群骏马和马夫早已等候多时，骏马不耐烦地踏着蹄子，扬起了阵阵灰尘。

看到主角登场，市民们开始窃窃私语：“市长手里拿的是什么东西？”

“似乎能拼起来，难道是要表演杂技？”

“听说这是要我们看到空气的力量，空气怎么还能有力量？”

“这些马是干什么的？是要举行赛马比赛吗？”

…………

被称为市长的正是拿着两个半球的马德堡市市长，叫奥托·冯· 格里克。这位市长不仅是官员，也是一位科学家和发明家。他的助手拿着的正是他发明的真空泵。格里克走到广场正中，和助手一起开始组装他的实验设备：他们把两个铜质半球中间垫上皮革，再把两个半球壳灌满水，确认无误后严丝合缝地装在一起。紧接着，助手把真空泵接到铜球上，开始向外抽水。同时格里克向众人介绍说，这个球直径14 英寸（大约36 厘米），中间用浸满了油的皮革密封，保证空气不会进到球里面，现在里面充满了水，助手用真空泵抽出里面的水，球里面就是真空的，只有周围的空气压着这个球，两队马向相反的方向拉这个球，直到两个半球分开。

在高头大马的衬托下，这个铜球显得十分小巧。在场的人都不太相信能有什么力量可以抵住两边马匹的力量。随着马夫的吆喝，大家也都瞪大了眼睛，看两边的马嘶叫着用力，中间的两个半球似乎被施了魔法，緊紧地扣在一起，抵抗着两边马匹的拉力。眼看拉不开，马夫开始给两边增加马的数量，一匹、两匹……一直到两边各有八匹马。随着砰的一声巨响，人群中发出一阵惊呼。因为仅仅依靠空气的力量，居然用了十六匹马才把两个半球拉开。空气竟然有这么巨大的力量！

人群中的格里克露出了微笑——这一次，他向世人展示了科学的力量，也为远在意大利的托里拆利正名。

我们生活在空气的海洋中

这个托里拆利是谁？这里面究竟有什么故事呢？让我们先来到17 世纪初的意大利。

这时，世界上有很多人住在山上。他们用水很困难，需要将水一桶一桶地从山脚提到家里。而意大利人已经用上了方便的吸水管——管子的一端被放在水井中，人们把另一端的空气抽走，水就会自动从低处升到高处。但为什么水会自行向高处流，当时的人沿用了亚里士多德的观点：“自然界讨厌真空。”一旦真空产生，就会有东西将它补满。

有人发现了一个问题，一旦管子的高度差超过10 米，无论他们如何努力，水都无法再往上升了。1630 年，工程师乔加利亚诺写信给伽利略，问他为什么自己设计的用于将水输送到 12 米高的山上的吸水管无法工作。伽利略思考了这个问题，提出了自己的想法：空气是有重量的，真空也是可以存在的，而且真空也可以产生力量，叫作真空力。正是这个真空力从上面吸引水往高处流。之所以水无法再提高，就是因为真空力已经到达了极限。但是空气的重量从何而来，这个真空力又是什么，伽利略并没有给出答案。

1640 年，相信“实验出真知”的伽利略和他的两个助手在意大利佛罗伦萨的一口水井中开展了一场实验：他们将一根管子放进水井中，由两人用抽水泵抽出管子里的空气，但无论他们多么努力，果真水位在井中水面约10 米高。到底是什么原因让管子中的水只能有这么高？是真空力真的有极限吗？不同粗细的管子里面的水的重量是不一样的，为什么真空力都是只能提水到约10 米高？

两年之后，伽利略去世了。当年的助手继承了老师的衣钵成了新的研究者，而这位助手正是我们刚刚提到的托里拆利。他结合老师之前的研究，有了一个想法：提水的力量不是真空的力量，而是空气的重量，水能提到10 米高，是因为这个高度的水产生的压力和空气（大气）产生的压力正好相同。如果真是这样，那么密度不同的液体在管子中的高度就应该是不一样的。

为了证实自己的猜想，托里拆利选择了一种密度很大的液体：水银。水银的密度是水的13.6倍。如果大气有自己的重量，能把水压到约10 米，那么对应的，水银就应该被压到约10/13.6 米（70 多厘米）这么高。1643 年，托里拆利用一支约一米长的玻璃管进行了实验。玻璃管一头密封、一头开口，他把玻璃管中灌满水银，然后用手指顶住管口，将其倒插进装有水银的槽里，放开手指后，水银的顶部不出所料地下降了。管子上部留出的这段空间里面正是真空，而管子下面仍充满水银。很快，水银的高度稳定了下来，不出所料，这个距离正是70 多厘米。之后，托里拆利不断地改变实验方式，他发现无论是改变管子的粗细、管子上端的形状，还是倾斜管子，水银的高度都维持在同样的高度。直到有一天，风雨交加，托里拆利继续自己的实验，但是这次水银的高度却降低了。管子没有变、水银没有变、实验步骤也没有变，这时候他恍然大悟：管子中液面高度之谜的答案不是液体自身的重量，也不是什么真空力，而是大气的变化。

大气是有重量的，对它下方的物体产生压力。而管子中水银柱维持在一定高度，是因为大气给了水银槽压力，管子上空的真空没有大气压力，所以水银被大气从水银槽挤到了管子里面，同样环境中气压不变，水银柱的高度也不变。而水能达到的高度更高就是因为水的密度更小，大气可以把水压得更高，但是也有限度，这个上限是10.336 米。几十年的水管之谜终于得到了答案，而水银上方的那部分真空也被叫作托里拆利真空，表示真空度的单位被叫作托（符号为Torr）。将细直管内的水银顶高一毫米的压力就是一托。这种实验设备也被叫作托里拆利气压计。

1644 年，托里拆利在给朋友的一封信中写了一句著名的话：我们生活在空气海洋之底，气压是无处不在的。

科学家们对于大气的认识越来越准确。但是大众对于这种看不见、摸不着的知识依然存在疑问，于是才有了我们开头看到的一幕，格里克用更加直观的实验让大家相信了我们生活在大气的海洋中。

数学天才的实验

托里拆利揭开了气压奥秘的一角，消息传到法国，另一位天才登场了。这个人叫帕斯卡，1623 年出生于法国，母亲早逝，父亲是一位税务官员。因为帕斯卡从小体弱多病，父亲担心他精力有限，没有让他过早研究数学，而是去学习了当时更加有用的拉丁文和希腊文。但是兴趣是挡不住的，有一次当他的父亲看到12 岁的帕斯卡在墙边演算几何题时，这位精通数学的官员终于肯定了帕斯卡的数学能力，允许他去系统地学习数学知识。16 岁时，帕斯卡写了一篇关于圆锥曲线的内接六边形的短篇论文，其中的方法就是至今依然广泛使用的帕斯卡定理。帕斯卡的作品十分成熟，以至于当时著名数学家笛卡儿看了他的手稿后，拒绝相信这是一位16 岁的少年所写。帕斯卡一生在数学上有诸多贡献：在几何学上有帕斯卡定理；在代数上有帕斯卡三角形；通过讨论掷骰子时某种组合出现的概率，他还为近代概率论奠定了基础；为了减轻自己父亲的计算负担，他甚至发明了世界上最早的计算器之一。

当托里拆利提出的气压相关理论和实验传到法国的时候，还有很多人不相信。人们承认托里拆利的实验，但是认为水银柱上方不是真空，而是一种“气”，是这种气牵引水银柱上升。帕斯卡赞成托里拆利的分析，他的证明方法依然是实验。他用两根一端被封闭的管子，一根装水，一根装葡萄酒。实验前，他问大家，哪一根管子中的液体在实验时会变得低一些？人们普遍回答说是葡萄酒，因为葡萄酒比水更易挥发，会挥发出更多的气体把液柱压下去。但是最终的实验结果与人们的预期完全相反，装有葡萄酒的管子里的液柱比装水的那个更高，这表明葡萄酒上面并没有产生会把液体压下去的“气”。实际上，是因为葡萄酒比水的密度更低，它的液柱才被大气压得更高。

与此同时，帕斯卡也在深刻地思考什么是气压。葡萄酒和水的实验证明，如果液柱上方是真空的话，能够支撑液柱不落的原因只有一种解释：是周围空气的压力。气压来自大气的重量，位置越高，空气密度就会越小，也就是说高空的气压要比地面的气压小。如果能测出气压随高度的变化而变化的具体情况，就能揭示气压的本质，而验证思考的最好方法依然是实验。帕斯卡的家乡就有一座高山，但是因为担心自己的身体状况，于是帕斯卡委托自己的姐夫佩里埃去开展实验。佩里埃拿着气压計一边爬山一边测量，发现果真是海拔越高，水银柱就越低，山顶处水银柱的高度比在山脚处少了8.5 厘米。帕斯卡得到这个结果后很兴奋，前往巴黎一座高约50米的塔上做了同样的测试，也得到了同样的结论。

由此，帕斯卡证明了我们生活的空气存在压力，并且空气因高度不同而产生密度差异，进而造成气压不同。他还发现气压与天气也存在关系——下雨天的气压会比晴天的气压更低。 帕斯卡揭开了气压的奥秘，为了表彰纪念他的功绩，后人用帕斯卡（符号为Pa）作为压强的国际单位。

生活中的气压

气压到底有多少力量呢？国际上是这样规定的：温度为0℃、纬度45 度海平面上的气压被称为1 个标准大气压。1 个标准大气压=101325 帕斯卡=10.336 米水柱=760 毫米水银柱=760 托。看，帕斯卡和托里拆利在国际单位上再次相遇了！

水银气压表上的数值为760 毫米水银柱高。这相当于1 平方厘米的面积上承受着1.0336 千克重的大气压力。这个压力有多大呢？你伸开手掌，手掌面积大约是100 平方厘米，此时手上相当于承受着100 多千克的重量。你是不是觉得很奇怪，这么重为什么一点儿感觉都没有？这是因为在你手掌的下方，也有一个这么大的力量在支撑，两者相抵，你就感受不到重量了。我们的身体时时刻刻都在承受着这样的气压，而之所以感受不到，也是因为我们身体适应了气压平衡状态。距离地表越高，气压就越低，因此飞机在高空飞行时会给机舱内部加压。在远离地面的太空，气压几乎为零，因此航天员在出舱进行太空作业的时候，航天服除了要提供氧气，也要进行加压设置。

在气象领域，气压的变化是天气变化最直接的指示之一。地面很热的时候，近地空气会受热膨胀，地表气压就会下降，此时升到高空的空气有可能会形成一场突如其来的倾盆大雨。也就是说，突然的低压就是提示我们出门要带伞了。空气变冷的时候会收缩下沉，导致地表气压增加，所以突然的高气压预示着我们可能会遇到降温但是晴朗的天气。

在气象学中，我们经常会用千帕斯卡（简称千帕，符号为kPa）或者百帕斯卡（简称百帕，符号为hPa）来表示气压。通过气压图中的气压高低分布和数值差异，天气预报员可以很快分析出风向和风力大小，就像我们见到山的坡度方向和高矮就能判断出山坡上水的流向和流速一样。

生活中的气压无处不在，你都在哪里发现过它们呢？炎热的夏天，喝一杯冷饮再惬意不过了。当你用力嘬吸管喝到杯子里的饮料时，有沒有想过是你让吸管里产生了真空，从而让大气把饮料压进了你的嘴里？下次你嘬紧喝饮料的吸管时，注意吸管里的饮料不会落下，就跟当年托里拆利的实验一样。当你把一个真空挂钩按紧在瓷砖墙上，让它能够稳稳固定的并不是塑料的黏性，而是大气压力，这和格里克所做的马拉半球实验如出一辙。当你爬山的时候，可以拿出一个气压高度计去查看此处的气压和高度，这正是帕斯卡给我们留下的财富。

从伽利略猜想真空力，到托里拆利实验证明大气拥有压力，再到帕斯卡实验证明了气压的存在和变化，人类对于气压的认识越来越深刻，但是关于这个神奇的世界，我们依然存有很多疑问，其中可能还存在着很多类似“自然界讨厌真空”的错误说法。别忘记，我们要像发现气压的这些科学家一样，带着大胆的猜测、缜密的思考和细致的验证去一点一点解开科学世界里的未解之谜。