第6章 托里拆利发现大气压力

地球的周围被一层厚厚的空气包围着，这个空气层被称为大气层。空气可以像水那样自由地流动，同时它也受重力作用，因此空气的内部向各个方向都有压强，这个压强被称为大气压。大气有压力早已为人们所证实，最早测出气压值的是意大利科学家托里拆利。

托里拆利1608年出生在意大利华耶查城一个富裕的贵族家庭。他从小受到良好的数学教育，在十七八岁时，卓越的数学才能已初露锋芒。在他20岁时，伯父将他带到罗马，受教于伽利略的学生卡斯德利。卡斯德利是当时远近闻名的数学家和水利工程师，他在数学领域内很多方面都有卓越的成就，还为水力学创立了科学的基础。卡斯德利见托里拆利年轻聪慧，十分喜爱，便指派他为自己的私人秘书，在学术上给予他指导。1641年，托里拆利出版了《论重物的运动》一书，试图对当时伽利略的动力学定律作出新的阐释。卡斯德利在一次拜访伽利略时，将托里拆利的论著给伽利略看了，还热情推荐了托里拆利。伽利略看完托里拆利的论著之后，表示非常欣赏他的卓越见解，便邀请他前来充当助手。1641年，托里拆利来到佛罗伦萨，见到伽利略，并成了他的学生。1642年，伽利略逝世，托里拆利接替伽利略任佛罗伦萨科学院的物理学和数学教授，并被任命为宫廷首席数学家。此后他开始有条件做一些实验研究，不再像以往那样只能从事理论探索。

当时学术界对空气是否有重量、真空是否存在的问题还认识不清，主要是受亚里士多德思想的影响，认为自然界不能容忍真空，即所谓的“自然嫌恶真空”。伽利略对此说法表示怀疑，他发现，抽水机在工作时，不能把水抽到10米以上的高度，他把这一现象归结为水柱受不了它本身重量之故。托里拆利坚定赞同伽利略的关于空气有重量和真空存在的说法。但为什么水抽不到10米以上的高度呢？托里拆利一直想把这个问题弄清楚。

1641年，一位著名的数学家、天文学家贝尔提曾用一根10米多长的铅管做成了一个真空实验。托里拆利受到了这个实验的启发，想到用较大密度的海水、蜂蜜、水银等做实验。他选用的水银实验，取得了最成功的结果。他将一根长度为1米的玻璃管灌满水银，然后用手指顶住管口，将其倒插进装有水银的水银槽里，放开手指后，可以看到管内部顶上的水银已下落，留出空间来了，而下面的部分则仍充满水银。为了进一步证明管中水银面上部确实是真空，托里拆利又改进了实验。他在水银槽中将水银面以上直到槽口注满清水，然后把玻璃管缓缓地向上提起，当玻璃管管口提高到水银和水的界面以上时，管中的水银便很快地泻出来了，同时水猛然向上进入管中，直至管顶。由此可见，原先管内水银柱以上部分确实是空无所有的空间。原先的水银柱和现在的水柱都不是被什么真空力吸引住的，而是被管外水银面上的空气重量所产生的压力托住的。托里拆利在实验中还发现，不管玻璃管长度如何，也不管玻璃管倾斜程度如何，管内水银柱的垂直高度总是76厘米，于是他提出可以利用水银柱高度来测量大气压，并于1644年同维维安尼合作制成了世界上第一具水银气压计。

1647年10月25日，年仅39岁的托里拆利英年早逝。为了纪念托里拆利在大气研究方面做出的贡献，人们把他在进行实验时水银柱上的那段真空称为“托里拆利真空”，而那种玻璃管也被叫作“托里拆利管”。

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托里拆利在其他方面也有很多建树。托里拆利发现了托里拆利定律，这是一个有关流体从开口流出的流速的定律，即水箱底部小孔液体射出的速度等于重力加速度与液体高度乘积的两倍的平方根，虽然这后来被证明是伯努利定律的一种特殊情况。后来他又通过实验证明了从侧壁细孔喷出来的水流的轨迹是抛物线形状。托里拆利的这些发现，为流体力学成为力学的一个独立的分支奠定了基础。托里拆利还是第一个用科学的方式描述风的人，他写道：“风产生于地球上的两个地区的温差和空气密度差。”此外，托里拆利也具有很高的数学造诣。他在数学方面最大的贡献是进一步发展了卡瓦列里的“不可分原理”，帮它走向后来牛顿和莱布尼兹所创立的微积分学。他还将卡瓦列里的不可分原理以通俗易懂的方式解读，颇受广大读者欢迎，对不可分原理的普及起了推动作用。