關(guān)于作者
2004年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系，2009年在中國科學(xué)院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年起在中國科學(xué)院物理研究所工作至今。
[水煮物理]之：空即是色
羅會仟
2010年10月27日
作者：羅會仟？ 中國科學(xué)院物理研究所
般若波羅密多心經(jīng)有云：“色不異空,空不異色,色即是空,空即是色?！彼^“空”者，“色”也。然佛語之空、色、相者，并非常人理解之空、之色、之相。假若色之徒稱：“我今日欲“空”一下?！逼鋵嵅贿^玩笑而已。此處為暫為借用此語，亦只為表“空”者不空之意。所謂“空”者，即指我們所生活的空間、范圍，不空實指其中有空氣充斥，并非“空無一物”，亦即“色”盈其中。本節(jié)將要講述的，正是空氣的發(fā)現(xiàn)和大氣壓的最初研究故事。
文藝復(fù)興是一個文化奇跡，在那些年代，誕生的不只是藝術(shù)家，還有我們偉大的伽利略、開普勒等物理學(xué)家，還有弗蘭西斯 培根等哲學(xué)家。伽利略開創(chuàng)了實驗驗證真理的先河，而培根子則是宣揚這一科學(xué)研究方法的第一人。他提出了唯物主義經(jīng)驗論的原則，認(rèn)為知識和觀念起源于感性世界，感覺經(jīng)驗是一切知識的源泉。主張以實驗和觀察材料為基礎(chǔ)，經(jīng)過分析、比較、選擇、排除，最后得出正確的結(jié)論。之所以稱呼培根為“子”，因為他就像中國春秋戰(zhàn)國時代的諸子百家一樣，創(chuàng)立一派學(xué)說并廣收信徒。而培根，就是西方自然科學(xué)的“子”。子曾經(jīng)曰過：“知識就是力量?！庇谑牵蟠闹R青年為了尋求力量并汲取力量，就不斷用實驗物理的方法去探究未知問題?！热纾覀兩畹耐该骺臻g里是不是真的“空空如也”？
空氣有什么物理效應(yīng)？這要從空氣的特性談起。首先空氣是多種氣體的混合，從物理上來說，氣體分子之間的間距要大于它們自身直徑的1000倍以上。它的基本結(jié)構(gòu)導(dǎo)致空氣是透明的、沒有固定形狀的物質(zhì)，從物理學(xué)上嚴(yán)格來說，空氣屬于流體。（簡單地說流體包括氣體和液體）于是，空氣最大的特點就是它具有流動性。1653年，帕斯卡發(fā)現(xiàn)靜止流體中壓力傳遞的原理，即帕斯卡原理。后來將壓強(qiáng)的單位取名為帕斯卡，正是紀(jì)念此原理。帕斯卡是個聰明人，他發(fā)明了世界上第一臺計算器。如下面所示，它有點像咱們用的算盤，不過中國的算盤是在盛唐發(fā)明、大宋流行起來的，要晚于帕斯卡。
既然研究證明空氣不空，而后獲得的真空是不是“真的”空了呢？在17-18世紀(jì)的，人們普遍認(rèn)為是。但是在19-20世紀(jì)，一個叫狄拉克的天才證明了“真空也不空”。真空里其實由于量子漲落效應(yīng)，存在大量的正負(fù)電子對在不斷地產(chǎn)生湮滅。真空的能量是異常巨大的，如果把它計入我們的宇宙，那將會出現(xiàn)10的120次方的一個疑難問題，困擾了科學(xué)家許多年。這些都是后話了。
在本文的最后，我想說的，我們要慶幸生活在一個有空氣的世界里。在這個藍(lán)色星球，除了液態(tài)水和太陽，空氣也是我們最重要的保護(hù)屏。就如魚兒離不開水一樣，人類也離不開空氣。但愿人們能珍惜空氣這種寶貴資源，愛護(hù)我們的地球家園，讓世代繁衍下去。
般若波羅密多心經(jīng)有云：“色不異空,空不異色,色即是空,空即是色?！彼^“空”者，“色”也。然佛語之空、色、相者，并非常人理解之空、之色、之相。假若色之徒稱：“我今日欲“空”一下?！逼鋵嵅贿^玩笑而已。此處為暫為借用此語，亦只為表“空”者不空之意。所謂“空”者，即指我們所生活的空間、范圍，不空實指其中有空氣充斥，并非“空無一物”，亦即“色”盈其中。本節(jié)將要講述的，正是空氣的發(fā)現(xiàn)和大氣壓的最初研究故事。
文藝復(fù)興是一個文化奇跡，在那些年代，誕生的不只是藝術(shù)家，還有我們偉大的伽利略、開普勒等物理學(xué)家，還有弗蘭西斯 培根等哲學(xué)家。伽利略開創(chuàng)了實驗驗證真理的先河，而培根子則是宣揚這一科學(xué)研究方法的第一人。他提出了唯物主義經(jīng)驗論的原則，認(rèn)為知識和觀念起源于感性世界，感覺經(jīng)驗是一切知識的源泉。主張以實驗和觀察材料為基礎(chǔ)，經(jīng)過分析、比較、選擇、排除，最后得出正確的結(jié)論。之所以稱呼培根為“子”，因為他就像中國春秋戰(zhàn)國時代的諸子百家一樣，創(chuàng)立一派學(xué)說并廣收信徒。而培根，就是西方自然科學(xué)的“子”。子曾經(jīng)曰過：“知識就是力量?！庇谑牵蟠闹R青年為了尋求力量并汲取力量，就不斷用實驗物理的方法去探究未知問題?！热纾覀兩畹耐该骺臻g里是不是真的“空空如也”？
（草書：空即是色）
關(guān)于空氣的存在性問題，其實早在遠(yuǎn)古時代就有哲人開始思考我們生活在的空間里存在什么物質(zhì)。17世紀(jì)中葉以前，人們對空氣和氣體的認(rèn)識還是模糊的，到了18世紀(jì)，通過對燃燒現(xiàn)象和呼吸作用的深入研究，人們才開始認(rèn)識到氣體的多樣性和空氣的復(fù)雜性。期間包括盧瑟福、普利斯特、舍勒、拉瓦錫、卡文迪許等人的努力，最終認(rèn)識到我們的空氣由78%的氮氣、21%的氧氣、0.94%的稀有氣體、0.03%的二氧化碳和0.03%的其他氣體組成的。在這里說一個笑話：某老師說氧氣是18世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的，于是某生問道：“那在此之前，人們都呼吸什么呢？”當(dāng)然，研究空氣的成分問題是化學(xué)家的事情，我們物理學(xué)家其實關(guān)注的是空氣的物理效應(yīng)。空氣有什么物理效應(yīng)？這要從空氣的特性談起。首先空氣是多種氣體的混合，從物理上來說，氣體分子之間的間距要大于它們自身直徑的1000倍以上。它的基本結(jié)構(gòu)導(dǎo)致空氣是透明的、沒有固定形狀的物質(zhì)，從物理學(xué)上嚴(yán)格來說，空氣屬于流體。（簡單地說流體包括氣體和液體）于是，空氣最大的特點就是它具有流動性。1653年，帕斯卡發(fā)現(xiàn)靜止流體中壓力傳遞的原理，即帕斯卡原理。后來將壓強(qiáng)的單位取名為帕斯卡，正是紀(jì)念此原理。帕斯卡是個聰明人，他發(fā)明了世界上第一臺計算器。如下面所示，它有點像咱們用的算盤，不過中國的算盤是在盛唐發(fā)明、大宋流行起來的，要晚于帕斯卡。
（帕斯卡發(fā)明的世界上第一臺計算器）
為什么空氣會有氣壓？這要從分子運動論上講起。空氣中的氣體分子是分開散亂的，它們同時在雜亂無章地運動（溫度的起源），也就會不斷地沖擊它所能接觸的界面。一個分子的沖擊固然很少，可若有10的23次方個分子同時沖擊，那力量就夠大了。就像大雨天打傘或者撐雨衣，噼里啪啦的雨點打下來，就是一種壓力。但是，在18世紀(jì)，分子原子的概念實際上并沒有建立起來，人們理解大氣壓力就存在許多困難。幸好，培根子教導(dǎo)人們要從實驗的實際出發(fā)去總結(jié)經(jīng)驗獲得真知，于是，幾個著名的實驗證明了空氣的存在和大氣壓強(qiáng)的存在。其中托里拆利和維維安尼在1643年提出了氣壓概念，并發(fā)明了水銀氣壓計。托里拆利其實是伽利略的助手，伽利略曾經(jīng)稱量過空氣，認(rèn)為空氣是有重量的，這或許解釋了當(dāng)時發(fā)現(xiàn)水泵最多能把水提高10.5米的問題，但卻尚未揭示大氣壓的存在。而托里拆利用水銀替代水做了實驗，發(fā)現(xiàn)比水重14倍的汞大約只能升起水柱的1／14，同時獲得了真空——一個在當(dāng)時人們認(rèn)為是被大自然“厭惡”的東西。這個實驗證明了大氣壓的存在，并以確鑿的證據(jù)說明“空氣”不空。托里拆利的發(fā)明也為后來汞柱溫度計的發(fā)明奠定了雛形。
（大雨帶來的壓力）
（托里拆利和他發(fā)明的氣壓計及17世紀(jì)初意大利制造的玻璃溫度計）
而后，波意耳在1661年發(fā)現(xiàn)了波意耳定律，由于信息交通閉塞的緣故，這個結(jié)果并不為人所知，于是14年后馬略特也獨立發(fā)現(xiàn)了此定律。這就是中學(xué)里大家熟悉的波意耳-馬略特定律。這個實驗論證了空氣是有重量和彈性（當(dāng)時玻意耳稱之為彈力）的物質(zhì)，即在等溫情況下，空氣的壓強(qiáng)和體積成反比。你越壓縮空氣，它產(chǎn)生的壓力就越大，像個橡皮球一樣（哪個時代還沒有橡皮……）。波意耳還做過許多空氣性質(zhì)的研究，他得到了許多結(jié)論如：空氣對于燃燒、呼吸和傳聲是必不可少的；壓強(qiáng)對水的沸點的影響，指出當(dāng)使周圍的空氣稀薄時熱水就能沸騰起來；細(xì)管中液體的上升（即毛細(xì)現(xiàn)象）是和大氣壓力無關(guān)的；真空中虹吸失效等等。這一系列的研究，讓人們對空氣的認(rèn)識逐步加深了。最為出名的實驗，當(dāng)然屬格里克的馬德堡半球?qū)嶒灹?。實際上，格里克第一個發(fā)明了抽氣泵，他發(fā)現(xiàn)了獲取真空的辦法。于是在1654年5月8日的雷根斯堡，他向德意志帝國國會和國王費迪南德三世展示，抽過真空后的球體無法用30匹馬分開。而后在1656年，在他的故鄉(xiāng)馬德堡重作示范，這次示范用了16匹馬（分為兩組，每組8匹），當(dāng)時他當(dāng)市長。故稱“馬德堡半球?qū)嶒灐?。想來西方社會真是開放，市長帶著大家在大街上用馬拉半球，這個想法在古代中國只有一種可能——那就是在五馬分尸的刑場現(xiàn)場，還有現(xiàn)在中國少林寺的“六掰活人”。五馬就足以把人給撕成碎片，30匹馬又是如何的概念！可見，我們天天都生活在“重壓”之下，怪不得在地球上討生活如此之不易?。。。?/span>
（格里克用重物向眾人演示大氣壓力）
（馬德堡半球?qū)嶒灒?/span>
（中國的少林寺版：六掰活人）
1657年，加斯帕 史考特在他的《液壓與氣體力學(xué)》的出版物中描述了馬德堡半球?qū)嶒?。而波意耳和胡克則致力于改進(jìn)真空泵，并最終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 帕潘根據(jù)他們的研究別出心裁地制造了一個骨頭蒸煮鍋。這實際就是世界上第一個高壓鍋！后來又設(shè)計了一個蒸汽釋放閥以釋放壓力不讓鍋爆炸。他通過觀察閥門有節(jié)奏的上下運動，構(gòu)想出了活塞和氣缸發(fā)動機(jī)。遺憾的是，他沒有將他的設(shè)計堅持到底?？茖W(xué)自有后來人，工程師托馬斯 薩弗里于1697年制造了第一臺蒸汽發(fā)動機(jī)。在瓦特改良蒸汽機(jī)之后，歐洲掀起了一場“工業(yè)革命”?？茖W(xué)就是這樣，在不經(jīng)意之間經(jīng)過不同代的努力，推進(jìn)著人類生產(chǎn)力的進(jìn)步和社會的革新。
（高壓鍋：蒸汽機(jī)發(fā)明的靈感源泉）
在這一段故事里，我們可以看到，空氣的存在證明和大氣壓的發(fā)現(xiàn)并研究是經(jīng)歷過數(shù)人的努力，而且以實驗為重要基礎(chǔ)。這就是物理學(xué)最初的研究模式，實驗說明一切，也就是：用事實說話！既然研究證明空氣不空，而后獲得的真空是不是“真的”空了呢？在17-18世紀(jì)的，人們普遍認(rèn)為是。但是在19-20世紀(jì)，一個叫狄拉克的天才證明了“真空也不空”。真空里其實由于量子漲落效應(yīng)，存在大量的正負(fù)電子對在不斷地產(chǎn)生湮滅。真空的能量是異常巨大的，如果把它計入我們的宇宙，那將會出現(xiàn)10的120次方的一個疑難問題，困擾了科學(xué)家許多年。這些都是后話了。
在本文的最后，我想說的，我們要慶幸生活在一個有空氣的世界里。在這個藍(lán)色星球，除了液態(tài)水和太陽，空氣也是我們最重要的保護(hù)屏。就如魚兒離不開水一樣，人類也離不開空氣。但愿人們能珍惜空氣這種寶貴資源，愛護(hù)我們的地球家園，讓世代繁衍下去。
