真空鼻祖托里拆利

真空鼻祖托里拆利

7世纪30年代，抽水机已在工农业

生产上得到了广泛的应用。但当时人们还不知为什么抽水机只能把水升到10米以内的高度而不能再升上去了。那时采矿业发展较快，人们急需把较深矿坑中的水抽上来，于是矿主纷纷聘请最好的技师来改进抽水机。但不管技师多么高明、多么努力，抽水机始终不能把超过10米深的矿坑中的水抽到地面上来。

为此，一个名叫巴安尼的机械师就去请教大物理学家伽利略：“为什么虹吸管在跨越了比较高的山坡后竟不能工作？为什么抽水机不能把超过10米深的矿坑中的水抽上来？空气是否有重量？真空是否存在？”对这一系列问题，伽利略没能给出满意的解答。

对这一系列问题给出满意解答的是伽利略的助手，年轻的物理学家、数学家伊万杰利斯塔·托里拆利。

托里拆利于1608年10月15日出生在意大利的法恩茨，幼年时期就成了孤儿。他的叔父是个学识丰富的修道士，在他的教育和影响下，托里拆利逐渐对科学产生了兴趣，对科学实验充满了热情。

托里拆利

1627年，托里拆利18岁时，著名数学家、学者，伽利略的朋友穆尼迪托·卡斯特里把他收为学生。年轻的托里拆利爱好极为广泛。他研究数学和力学，磨制望远镜和透镜，证明如何用小玻璃球来提高放大倍数。这些放大镜，在100年以后仍然深受科学家的赞扬，并在微生物界促成许多重要的发现。

1638年，托里拆利阅读了伽利略的著作，受到很大启发，于是自己动手撰写有关机械学的文章。1641年他发表了论文“重体运动论”，3年后又出版了第一部专著《几何学论》。在这部著作中，托里拆利运用伽利略自由落体定律解释了液体从薄壁容器的孔眼中流出的现象。他证明了液体从孔中流出的速度与容器中液体水平面处于同一高度的自由落体的速度相等，后来，这一关系式发展成著名的托里拆利公式。此外，他还发现从容器侧壁的孔里流出的液体流具有抛物线的形式。这些发现奠定了水动力学的基础。

1639年，卡斯特里将托里拆利介绍给伽利略，他随即成为伽利略门下一名勤奋的学生。遗憾的是，这时伽利略已经年迈，还受着宗教势力的迫害，双目已经失明，尽管他指出了比重不同的液体，用抽水机提升的高度不同，但是其原因，他没能给出圆满的解答。在此基础上托里拆利决定用水银代替水柱，并且观察水银平面所停止的高度，使他步入了发现大气压力的大门。

1642年，伟大的科学家伽利略逝世，许多科学家、热爱科学的人们都以无比沉痛的心情参加了葬礼……

葬礼结束了，人们纷纷散去，托里拆利同维威安尼沉思着往回走，老师，一个伟大而亲近的人——伽利略大师离去了……

托里拆利的水银汞柱真空实验

这一切都仿佛是近在昨天的事。当时，巴利安尼机械师在他那挖得特别深的一口新井上遇到了麻烦。抽水机无论如何也不能把水提到地面上来。伽利略当时对他说：“水不可能升到比20个下臂（下臂为半米）更高的高度上来，甚至连20个也不到。‘真空恐怖，有自己的界限……”

从前的书本上早就讲过，自然界不能容忍真空，自然界尽力去占领所有能够出现没有空气的空间，这是造成“真空恐怖”的实在原因。抽水机能从井的深处把水流出来，就是用这个道理来解释的。当抽水机的活塞上升时，它就应把水带上来，以使它的下面不致出现没有空气的空间——真空。

“你们应当，而且是务必要把这个问题弄清楚。”导师的话在他们的耳边响起，“管子里的水只能提高到大约18个下臂长的高度，为什么就不能再高了呢？”

托里拆利实验

“真是的，怎么不能呢？”维威安尼大声地说出了自己的想法，“如果是‘真空恐怖，造成的话，那么为什么只是在这个范围里起作用呢？”

“开始时，先要准确地定出由于活塞运动流入管子里的水柱的高度。”托里拆利接着说，“这需要有透明的管子，最好是玻璃制作的”。

“这可太复杂了，要制造出那么长而且又一样粗细的管子，让活塞能在里面移动，这可是太难办到了。”

“需要找一个技术高超的吹玻璃的师傅谈谈”。

“也许，可以在铁管上做一个小玻璃窗。”

“不，不，这是多余的。”托里拆利突然转身对维威安尼说道，“这个办法靠不住。如果水进入管子靠的是‘真空恐怖，，那么，只要将管子的一端封住，为了不形成没有空气的空间，水就不会从管子里流出来。譬如，用一个装满了水的锅，将它底朝上地翻过来，而敞开的一面始终放在水下，那么，锅里面的水就不会流出来。”

维威安尼点了点头说道：“懂了！您想使一端被封闭的管子里盛满水，然后再像锅一样地翻过来，是吗？”

“对！自然界如果不能容忍真空，那么，所有的水就应该肯定都留在管子里。如果水位下降……”

“您认为它会下降吗？”

“伽利略大师说，水只能升到18个下臂长的高度，这话您听说过吧？要是水下降到这个高度就停止，那么这就是个明显的标志，说明‘真空恐怖，作为规律，只能达到这个界限，或者是……”

“或者是什么？”

“或者并不是‘真空恐怖，，而是别的东西把水赶到了管子里。”维威安尼拍了下自己的额头。

“需要把管子翻过来！但是，这您怎么能做到呢？要知道管子的长度至少需要20个下臂长呀！您得爬到教堂的钟楼上去。”

托里拆利与伽利略

“那又怎么样？我们的导师伽利略能在比萨塔上丢下石头，我们怎么不可以爬到某个塔上去进行水管的实验呢！”讨论中忘却了悲痛，他们不知不觉地回到了城里。

“你们好！”巴利安尼向他们喊着，“老天爷真是不长眼，他怎么把你们的老师召去了，这下子我再也无法知道水为什么不能从我的井里抽出来啦。”

“您不知道？我们应该知道！”维威安尼激动起来，“明白吗？应该知道！”

“谁？”巴利安尼惊奇地问。

“谁？谁？当然是我们。”

维威安尼慷慨回答，托里拆利也加入到谈话里去了，但温和的语气显得十分谦虚。

“巴利安尼师傅，”托里拆利坚定地说道，“死神把伟大的学者带走了，但是科学会更加向前发展。可能我们很快就会知道，是什么原因使水留在18个下臂长的高度。”

“你们能弄清楚吗？”巴利安尼毕恭毕敬地问道。

“很可能……”托里拆利的精神突然振作起来，“朋友，我们不需要那么长的管子。可以很简单地来做这个实验！走吧！走吧！”

于是，他拉着维威安尼急急忙忙地离开了巴利安尼。

巴利安尼看到地面在他们的脚下燃烧了起来，扬起一股尘土，一会儿就看不清他们的背影了。这时巴利安尼耸了耸肩膀，喃喃自语道：“这些疯魔……”

不错，科学家之所以能够有所发明，就是因为他们迷恋于科学。在普通人的眼里他们确实像一个“疯魔”。

维威安尼好奇地到处看了看比自己年长的同学，而托里拆利则径直回到了自己寝室。他坐到椅子上，捋着短短的、剪得很漂亮的胡须，陷入了如何进行这项研究的沉思之中。

“就这样。”他最后说道。

“什么，大师？”维威安尼问道。他不自觉地这样称呼起来，就像以前他称呼伽利略那样。托里拆利听到这一声音，回头一看，原来维威安尼已经回来坐在他的屋里，可是由于他集中思考却没有发现他什么时候闯进了屋中。于是，他们又讨论起来。

托里拆利说道：“空管子里的水在18个下臂的高度上停下来。可是，如果要用较重的水呢？……”

“较重的水？”维威安尼问道。

“是的，像水银，它要比水重13倍。因此，它的柱高可能比水柱低13倍。在这种情况之下，有不到两个下臂长的管子我们就够用了。”

“可是，您为什么认为水银进入管子会比水低得多呢？”

托里拆利哈哈大笑。

“我是这样设想的，”他回答说，“我们应该先确定怎样使水银升高。然后我再给你解释我的想法。让我们来看一看，‘真空恐怖，是不是不容置辩的规律。”

几天后，维威安尼开始做这个实验。他小心翼翼地拿起一个玻璃管，将水银一滴一滴地充满了管子。然后，他把管子底朝上翻过来，固定在盛有水银的小盆里。接着他又换了大小不同的管子做了起来……

有一天，维威安尼满面春风地迎接着旅行多日、刚刚归来的托里拆利。一见面，他就将他多日的实验结果告诉了托里拆利。

根据托里拆利实验，人们做出了水银气压计。

“大师，您的推测被证实了。我照您所说的，拿一根有两个下臂长的玻璃管，盛满了水银，将它倒过来，使开口端低于盆中水银的表面，管子里的水银柱下降了，一直保持在同一个高度上，是28英寸（71．11厘米）。后来，我又用水银灌满别的管子——大的、小的、粗的、细的，在短的管子里，它差不多并不向外溢，在长管子里，正如我刚才讲过的那样，它保持在同一个高度上。”

他指了指标在管子上的同一高度线。

托里拆利捋着胡子，仔细地察看着这一切。

托里拆利气压实验

“那么，液柱的高和它们的密度成反比，水是处在18个下臂长的地方，而水银则在28英寸上。在液柱的上方，也许确有真空空间存在。”

“而‘真空恐怖，……”维威安尼开始似乎有点犹豫，但在托里拆利的目光鼓舞下，终于说了下去，“‘真空恐怖，并不存在！大自然不惧怕真空！然而……”他停顿了一下，“然而，那样一来，是什么东西把水赶到管子里的呢？”托里拆利凝神注视着他。

“空气。”他平缓但又非常肯定地说，“在我们周围的空气压迫着水的表面，其力量使水柱停在18个下臂长的高度上，如果用其他液体，则液柱高度随着液体本身的密度而变化。”

“空气！”维威安尼叫了起来，“不是‘真空恐怖，驱使液体进入管里，而是空气压迫在它的表面上。”

托里拆利沉思不语地站着。

“你们应该，而且务必把这个问题搞清楚……”他耳边又响起了老师那有点儿颤抖的老年人的声音。

托里拆利实验，不但证明了大气压强能使水银柱保持在管内不下降，而且还能进一步证明管中水银面的上方是真空。

“是的，大师。”最后，他说道，“我们把这个问题搞清楚了。”

不久，托里拆利又设想出一个新的具有决定意义的实验：

在长为1米，一端封闭的玻璃管内装满水银，用手指封住管口将玻璃管倒立于水银槽内，然后放开手指，则原来达到管顶的水银将下降到高于槽中水银面的某一高度。即为76厘米，玻璃管中水银柱上面的24厘米的小空间即可视为真空。这是人类首次有意识的造成的真空状态。从而证明了空气确有重量，真空确实存在。这一真空被称为托里拆利真空，托里拆利被誉为“真空的鼻祖”。

托里拆利与他早期的气压计

托里拆利在他老师伽利略去世后，不仅完成了老师委托的研究事业——发现大气压力，而且还证明了真空的存在，因而被选为宫廷数学家。

托里拆利正确地解释了真空的实验，批驳了幻想出来的“真空恐怖”之说。早在亚里士多德时代就存在着一种自然界惧怕真空的说法。例如：水随着抽水机的活塞上升、毛细管现象等等，都是解释这一说法的根据。托里拆利证明造成这些现象的原因是大气压力，真空可以制造出来。这一发现对宗教神学给予沉重的打击。

可是，这位伟大的科学家年仅39岁就离开了人世。他的一生虽然短暂，但他的名字却是永垂不朽的。在他的故乡，人们为他树立了纪念碑，以表示永久的怀念。后来人们为纪念他的伟大发现，压力的单位定为托里拆利。