大气压是怎么发现的？|伽利略|大气压|气压计|水银柱

很久以前，人们就注意到一个现象，当用来输送水的虹吸管跨越高度10米以上的山坡时，水就输不上去了；在超过10米深的井里，抽水泵就不起作用了。人们早就知道只要把水管里的空气抽走，造成一个真空环境，那么水就会沿着水管往上流。人们无法解释水为什么会往上流，而不是通常那样“水往低处流”，就借用古希腊学者亚里士多德（Aristotle，前384~前322）的名言“大自然厌恶真空”聊以自慰。

到了17世纪，欧洲诸国开始向外扩张，在大规模的制造枪炮、货币的情形下，金属的使用量大增，矿井开采的深度也加深了，于是，就出现了地下水抽取困难的问题。除此之外，灌溉、喷泉取水都受到了限制。拥有大矿井和豪华花园的托斯卡纳公爵为此一筹莫展，于是就委托伽利略（Galileo，1564~1642）解决这个问题。伽利略将这个难题告知了许多科学家，其中也包括伽斯帕罗·贝尔蒂，他是第一个在罗马进行抽取真空实验的科学家。尽管当时已经有很多人关注“大自然厌恶真空”的现象，但还是无人知晓这种现象背后的原因。

伽利略（1564-1642）

伽利略发现空气有重量

事实上，最早注意到空气有重量的是伽利略。他将一个空瓶（当然里面有正常气压的空气）密封起来，放在天平上与一堆砂子平衡。然后，他设法用打气筒向那个瓶子打进更多的空气，再次加以密封。当伽利略把这只瓶子再放回到天平上时，这时的瓶子比那堆砂要重一点，只有再往砂堆里加添一两粒小砂子，天平才会平衡。伽利略推断，瓶子重量增加是由于里面的空气增多了的缘故，据此推断空气是有重量的。

虽然伽利略科学地测定空气是有重量的，但他无法解释“大自然厌恶真空”的问题，只好假定水泵或者虹吸管内有一种只能提起10米高水柱的“真空力”，或者说，大自然的那种“厌恶”是有限度的，到了10米以上的真空，就不厌恶了。在当时，还有一个叫G·B·巴里安尼的学者认为空气有重量，因而会产生压力，可以从外面托起水柱，尽管他的名望远逊于伽利略，但这种观点，还是引起罗马和佛罗伦萨各派的争论。

托里拆利发现大气压力

1642年，伽利略逝世，他的学生托里拆利（Torricelli，1608~1647）继任了他的职务，并以极大的热情继承了伽利略未完成的物理研究工作。他观察到大气对地球表面施有压力，并猜想，这有可能解释所谓“大自然厌恶真空”的各种现象。托里拆利认为，既然空气有重量就会产生压力，就像水有重量会产生压力和浮力一样。正是空气的压力把水从管子里往上压，压到10米的高度时，水柱的重量正好等于空气的压力，水就再也压不上去了。为了证实这一点，他开始研究吸水唧筒（古代水泵）的原理。并让自己的助手维维安尼帮忙用各种液体进行实验，由此查明了唧筒升高液体的高度取决于液体的比重。而这恰恰为发现大气压力指明了方向。

1643年，即伽利略去世后的第二年，35岁的托里拆利做了一个决定性的实验，并以此发现了大气压力，使人们开始研究身边无时无处不在的空气。

根据“大自然对真空的厌恶限度”，实验需要一个高10米的实验装置，且不说制作之难，10米有三四层楼那么高，怎样进行观测呢？聪明的托里拆利设计了一个方法，利用比水重13.6倍的水银来做实验。他让人制作了一根1米长的玻璃管，一端封闭，一端开口。维维安尼将水银灌满管子，然后用手指堵住开口的一端，将管子颠倒过来使开口的一端朝下，再放进一个盛满水银的陶瓷槽里。当他放开按住管口的手指时，管里的水银很快下降，当水银降到距槽里的水银面76厘米高度时，就不再降低了。换算一下就可以得出，76厘米高的水银柱产生的压强，正好等于10米水柱产生的压强。这个实验形象地显示出，水银槽里水银表面所受到的大气压强刚好等于76厘米高的水银柱所产生的压强。而且很显然，有某种外力使水银留在管子里，这种外力可能就是杯子里水银面上的空气压力。

对于托里拆利和他的助手而言，这个结论是毋庸置疑的。但是“大自然厌恶真空”的观念根深蒂固，人们甚至连“看不见的”空气对“看得见的”物体有压力这种可能性本身也难以相信。要使大家放弃这种观念，则需要有更清楚直观的佐证。

盖利克的马德堡半球

托里拆利发现大气压力的消息很快传到了德国。受托里拆利实验的启发，1649年，德国工程师盖利克（Guericke，1602~1686）发明了真空泵，利用真空泵可以抽出密封于容器中的空气。

盖利克发现，在抽去空气的容器里，小动物不能存活，蜡烛不能燃烧，食品却可以长久保鲜。这些发现启发人们思索空气的成分，探究空气与人的关系，促进了化学、生物学和医学的发展。

盖利克后来担任德国马德堡市市长，在任35年。为了让人们相信大气有压力，他为德国皇帝和国会议员表演了在历史上被传为佳话的“马德堡半球实验”。这是一次极具戏剧性的科学实验，直观地证明了大气压的存在。1654年5月8日，盖利克带着两个直径50厘米的铜质半球来见皇帝，他告诉皇帝，把这两个半球合拢，两边即使各用五六匹马来拉也未必能拉开。皇帝觉得不可思议，便催促他开始实验。

盖利克将铜质半球的边沿用经松节油蜡浸过的皮环密封，抽去球中的空气，在大气压力的作用下，两个半球紧紧扣合在一起，半球上焊有结实的铜环，他让两支马队朝相反的方向分别用力拉两个半球，可无论马匹如何用力，两个半球还是牢牢地粘合在一起。于是，盖利克吩咐两边马队的马一匹匹地增加，结果用了16匹马才把它们拉开。

这一实验轰动一时，它不仅演示了大气压的巨大机械力，还激励了玻意耳等科学家对大气压力进一步进行研究。后来，盖利克研究空气密度随着地面高度和湿度而变化的现象，发明了水柱气压计，利用气压计预报天气的变化，并提议通过观测站网进行系统气象观测等。

帕斯卡发现大气压力随高度变化

另一个证明大气压力存在的无可辩驳的实验，是与托里拆利同时代的法国数学家和物理学家帕斯卡（Pascal，1623~1662）进行的。帕斯卡知道托里拆利的实验以后，便利用托里拆利设计的“世界上第一个测量大气压强的气压计”，于1646~1647年在法国的鲁昂和巴黎以不同方式重做了一系列实验。

帕斯卡在巴黎和鲁昂多次重复了托里拆利的实验

帕斯卡认为，用水银柱量出的大气压力实际上是空气重量产生的力，随着高度的上升，空气稀薄，大气的压力也会逐渐减少。1648年，脚有残疾的帕斯卡委托姐夫佩里埃带着水银气压计登上高山观察气压计读数的变化，发现在海拔1600米左右的高度，气压计水银柱液面下降了大约10%，得到这个消息之后，他于1648年发表了这一结果。此后的多次测量表明，在距离海平面2000米的高度内，平均每升高12米，水银柱大约降低1毫米。知道了大气压跟高度的关系，就可以根据大气压的大小来估算出某处的高度。这种用气压计测量高度的方法，沿用至今。

玻意耳发现气体的物理性质

托里拆利发现大气压力的消息传到英国之后，深受伽利略影响的英国科学家玻意耳（Boyle，1627~1691）对空气产生了浓厚的兴趣。他把托里拆利实验中的玻璃直管换成一端封口的U形管，从开口一端向管内注入水银，水银把这少量的空气“囚禁”在封闭端。当他再多灌入一些水银时，空气柱受到更大的压力收缩，体积变小了。但被压缩的空气却可以支撑更高的水银柱，玻意耳据此发现，残留在密闭管中的空气体积与压力成反比。