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[水煮物理]之:空即是色
澳门新萄京官方网站:2010-09-19文章来源:

  作者:罗会仟  新萄京科学院物理研究所

 般若波罗密多心经有云:“色不异空,空不异色,色即是空,空即是色。”所谓“空”者,“色”也。然佛语之空、色、相者,并非常人理解之空、之色、之相。假若色之徒称:“我今日欲“空”一下。”其实不过玩笑而已。此处为暂为借用此语,亦只为表“空”者不空之意。所谓“空”者,即指我们所生活的空间、范围,不空实指其中有空气充斥,并非“空无一物”,亦即“色”盈其中。本节将要讲述的,正是空气的发现和大气压的最初研究故事。

   文艺复兴是一个文化奇迹,在那些年代,诞生的不只是艺术家,还有我们伟大的伽利略、开普勒等物理学家,还有弗兰西斯·培根等哲学家。伽利略开创了实验验证真理的先河,而培根子则是宣扬这一科学研究方法的第一人。他提出了唯物主义经验论的原则,认为知识和观念起源于感性世界,感觉经验是一切知识的源泉。主张以实验和观察材料为基础,经过分析、比较、选择、排除,最后得出正确的结论。之所以称呼培根为“子”,因为他就像中国春秋战国时代的诸子百家一样,创立一派学说并广收信徒。而培根,就是西方自然科学的“子”。子曾经曰过:“知识就是力量。”于是,后代的知识青年为了寻求力量并汲取力量,就不断用实验物理的方法去探究未知问题。——比如,我们生活的透明空间里是不是真的“空空如也”?

 

(草书:空即是色)

   关于空气的存在性问题,其实早在远古时代就有哲人开始思考我们生活在的空间里存在什么物质。17世纪中叶以前,人们对空气和气体的认识还是模糊的,到了18世纪,通过对燃烧现象和呼吸作用的深入研究,人们才开始认识到气体的多样性和空气的复杂性。期间包括卢瑟福、普利斯特、舍勒、拉瓦锡、卡文迪许等人的努力,最终认识到我们的空气由78%的氮气、21%的氧气、0.94%的稀有气体、0.03%的二氧化碳和0.03%的其他气体组成的。在这里说一个笑话:某老师说氧气是18世纪发现的,于是某生问道:“那在此之前,人们都呼吸什么呢?”当然,研究空气的成分问题是化学家的事情,我们物理学家其实关注的是空气的物理效应。

  空气有什么物理效应?这要从空气的特性谈起。首先空气是多种气体的混合,从物理上来说,气体分子之间的间距要大于它们自身直径的1000倍以上。它的基本结构导致空气是透明的、没有固定形状的物质,从物理学上严格来说,空气属于流体。(简单地说流体包括气体和液体)于是,空气最大的特点就是它具有流动性。1653年,帕斯卡发现静止流体中压力传递的原理,即帕斯卡原理。后来将压强的单位取名为帕斯卡,正是纪念此原理。帕斯卡是个聪明人,他发明了世界上第一台计算器。如下面所示,它有点像咱们用的算盘,不过中国的算盘是在盛唐发明、大宋流行起来的,要晚于帕斯卡。

(帕斯卡发明的世界上第一台计算器)

  为什么空气会有气压?这要从分子运动论上讲起。空气中的气体分子是分开散乱的,它们同时在杂乱无章地运动(温度的起源),也就会不断地冲击它所能接触的界面。一个分子的冲击固然很少,可若有10的23次方个分子同时冲击,那力量就够大了。就像大雨天打伞或者撑雨衣,噼里啪啦的雨点打下来,就是一种压力。但是,在18世纪,分子原子的概念实际上并没有建立起来,人们理解大气压力就存在许多困难。幸好,培根子教导人们要从实验的实际出发去总结经验获得真知,于是,几个著名的实验证明了空气的存在和大气压强的存在。其中托里拆利和维维安尼在1643年提出了气压概念,并发明了水银气压计。托里拆利其实是伽利略的助手,伽利略曾经称量过空气,认为空气是有重量的,这或许解释了当时发现水泵最多能把水提高10.5米的问题,但却尚未揭示大气压的存在。而托里拆利用水银替代水做了实验,发现比水重14倍的汞大约只能升起水柱的1/14,同时获得了真空——一个在当时人们认为是被大自然“厌恶”的东西。这个实验证明了大气压的存在,并以确凿的证据说明“空气”不空。托里拆利的发明也为后来汞柱温度计的发明奠定了雏形。


(大雨带来的压力)



(托里拆利和他发明的气压计及17世纪初意大利制造的玻璃温度计)

  而后,波意耳在1661年发现了波意耳定律,由于信息交通闭塞的缘故,这个结果并不为人所知,于是14年后马略特也独立发现了此定律。这就是中学里大家熟悉的波意耳-马略特定律。这个实验论证了空气是有重量和弹性(当时玻意耳称之为弹力)的物质,即在等温情况下,空气的压强和体积成反比。你越压缩空气,它产生的压力就越大,像个橡皮球一样(哪个时代还没有橡皮……)。波意耳还做过许多空气性质的研究,他得到了许多结论如:空气对于燃烧、呼吸和传声是必不可少的;压强对水的沸点的影响,指出当使周围的空气稀薄时热水就能沸腾起来;细管中液体的上升(即毛细现象)是和大气压力无关的;真空中虹吸失效等等。这一系列的研究,让人们对空气的认识逐步加深了。最为出名的实验,当然属格里克的马德堡半球实验了。实际上,格里克第一个发明了抽气泵,他发现了获取真空的办法。于是在1654年5月8日的雷根斯堡,他向德意志帝国国会和国王费迪南德三世展示,抽过真空后的球体无法用30匹马分开。而后在1656年,在他的故乡马德堡重作示范,这次示范用了16匹马(分为两组,每组8匹),当时他当市长。故称“马德堡半球实验”。想来西方社会真是开放,市长带着大家在大街上用马拉半球,这个想法在古代中国只有一种可能——那就是在五马分尸的刑场现场,还有现在中国少林寺的“六掰活人”。五马就足以把人给撕成碎片,30匹马又是如何的概念!可见,我们天天都生活在“重压”之下,怪不得在地球上讨生活如此之不易啊!!!

(波意耳)

(格里克用重物向众人演示大气压力)


(马德堡半球实验)

(中国的少林寺版:六掰活人)


  1657年,加斯帕·史考特在他的《液压与气体力学》的出版物中描述了马德堡半球实验。而波意耳和胡克则致力于改进真空泵,并最终用公式表示出了波意耳定律。有意思的是波意耳的同事丹尼斯·帕潘根据他们的研究别出心裁地制造了一个骨头蒸煮锅。这实际就是世界上第一个高压锅!后来又设计了一个蒸汽释放阀以释放压力不让锅爆炸。他通过观察阀门有节奏的上下运动,构想出了活塞和气缸发动机。遗憾的是,他没有将他的设计坚持到底。科学自有后来人,工程师托马斯·萨弗里于1697年制造了第一台蒸汽发动机。在瓦特改良蒸汽机之后,欧洲掀起了一场“工业革命”。科学就是这样,在不经意之间经过不同代的努力,推进着人类生产力的进步和社会的革新。





(高压锅:蒸汽机发明的灵感源泉)

  在这一段故事里,我们可以看到,空气的存在证明和大气压的发现并研究是经历过数人的努力,而且以实验为重要基础。这就是物理学最初的研究模式,实验说明一切,也就是:用事实说话!

  既然研究证明空气不空,而后获得的真空是不是“真的”空了呢?在17-18世纪的,人们普遍认为是。但是在19-20世纪,一个叫狄拉克的天才证明了“真空也不空”。真空里其实由于量子涨落效应,存在大量的正负电子对在不断地产生湮灭。真空的能量是异常巨大的,如果把它计入我们的宇宙,那将会出现10的120次方的一个疑难问题,困扰了科学家许多年。这些都是后话了。

  在本文的最后,我想说的,我们要庆幸生活在一个有空气的世界里。在这个蓝色星球,除了液态水和太阳,空气也是我们最重要的保护屏。就如鱼儿离不开水一样,人类也离不开空气。但愿人们能珍惜空气这种宝贵资源,爱护我们的地球家园,让世代繁衍下去。



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