初中物理课外读本10真空

1、10.真空真空的本意是“虚空”，也就是“一无所有”的意思。说起来真 空似乎很简单，然而人类对真空的认识历程即使用“跌宕起伏”四个 字来形容也一点都不过分。1 .德谟克利特（约公元前460前370）与亚里士多德谈到“虚空”，就不得不提及古希腊哲学家德谟克利特。德谟克 利特在他的老师留基伯提出的原子学说的基础上，进 一步地认为万物的本原是原子和虚空。宇宙空间除了 原子和虚空，什么都没有。原子是一种最后的不可分 割的微粒，它的基本属性是“充实性”；因为不可分割， 所以每个原子都是毫无空隙的。虚空即是空旷，也就是无物，它为原子提供了运动的条件；没有虚空，密实无隙，原子如 何运动？正因有了空旷，原子才得

2、以在其间运动。仔细想想，他的说 法确实有道理。德谟克利特去世几十年后，他的原子论遭到了亚里士多德的强烈 反对。亚里士多德觉得，真空不可思议，空间怎会虚无到没有任何物 质存在呢？他认为，空间必须有物质才能相互作用，空间必定是一个 有作用存在的连续的物质实体。因此，亚里士多德提出了自然“害怕 真空”的观点，他断然否定了自然界中的物质是由原子和虚空组成的 观点。亚里士多德还认为：“世间万物之中，除了火和空气以外均有 各自的重量。”仔细想想，若太阳和地球之间真的空无一物，那太阳 又怎么可能把地球玩玩团团转呢？没有物质， 怎么可能有作用呢？他 的说法似乎更有道理。2 . 伽利略与托里拆利（1608 16

3、47）对于亚里士多德的这些说法，亚里士多德的“克星”伽利略深表怀疑。在认真地研究了物体的重心和密度后，伽利略说： “我们不能 相信亚里士多德所说的火和空气没有重量而应当认识到所有的物体都有各自的重量，只不过各有重量大小不同和质地疏密之分而已。 ”他将一个密封好的空瓶（里面当然有未压缩的空气）和一堆砂子分放在天平两侧，通过增减砂粒使天平平衡。然后他向空瓶中打气，再次密封后放在天平上，发现空瓶比原来重了。要使天平恢复平衡，需往砂堆上再添加一两粒砂子。这表明空气也有重量。对于自然“害怕真空” ， 他说： “ 如果人们凭感觉和理解都还不能认识到真空的存在，那么凭感觉和理解又怎能否认真空的存在呢？”然而

4、， 伽利略虽然相信“真空”是真实存在的，但他却没能用实验去证实。在伽利略垂暮之年，工程师们在改进抽水机的过程中发现，无论怎样改进，活塞式抽水机都无法将水抽到10 米以上的高度。他们百思不解，便去向伽利略请教。伽利略认为，提起活塞的过程中如果水不跟着上升，那水与活塞之间就会形成真空。如果自然真的像亚里士多德所说的那样害怕真空，那水就不会只能抽到10 米左右高了。伽利略猜测，水之所以能克服重力随着活塞一起上升，可能是因为管内的真空具有一种力的作用的结果。水最多上升10 米，可能是因为这种力的作用（伽利略将之称为“真空力”）有一定的限度。托里拆利推伽利略晚年的关门弟子托里拆利却不同意他的说法。测，既

5、然空气也有重量，那空气对物体也应当会有压力。水之所以会上升，不是因为“真空力”，而是因为管外的水受到了管内的水所没有受到的空气施加的压力的缘故。水只能上升10米左右，说明空气的压力只能支撑10 米左右高的水柱。他进一步推想，水银的密度约是 水的14倍，空气的压力能支撑的水银柱高度也就应当是它能支撑的水的高度的1/14。1643年，托里拆利在一根一头封闭、长约 120厘米的玻璃管内 灌满水银，用手指堵住管口后将玻璃管倒放入一个装有水银的梢中。 松开手指，水银柱迅速下降，最终静止时管内外水银面的高度差为 76厘米，恰好为10米的1/14左右。托里拆利的实验发表后，人们仍不相信“真空”是可以存在的。

6、他们说管内水银柱的上方不是“真空”，而是存有一种看不见的气体。为此，托里拆利又在梢内的水银面上加水， 然后慢慢地向上提起玻璃管，当管口离开水银面进入水中后，人们看到水银柱下降，水迅速充 满玻璃管。若管内有气，那水怎么可能充满玻璃管呢？然而即使这样，人们还是不相信托里拆利的说法。 这也不能全怪 “人们”，托里拆利本人对于气压和液压的认识和解释都非常含糊。最终令人们信服“真空”和大气压都真实存在的是法国科学家帕斯卡 和德国科学家奥托格里克。3 .帕斯卡(1623 1662)与格里克(1602 1686)1647年，在听说托里拆利实验后，帕斯卡不仅重复了托里拆利的实验，而且他还把12米长的玻璃管固定

7、在船的桅杆上，用水和葡 萄酒做托里拆利实验。当时的人们认为葡萄酒中含有“气”元素，酒 柱会比水柱短，结果却是酒柱比水柱还高。1648年， 帕斯卡做出了 一个可以证实大气压存在的强有力的 预言一一如果大气压确实是由于大气的重量产生的， 那么越高的地方气压就应当越低，大气能支撑的水银 柱的高度就应当越小。因身体原因，他请他的姐夫佩里埃带着他的水银气压计测量多姆山不同高度处的气压值，结果完全证实了他的推测。在此实验的基础上，富于推理和想象的帕斯卡推测 出地球大气层之外即是真空。不仅如此，在 1649-1651年间，在帕斯 卡的要求和指导下，佩里埃还进行了一系列不同时间、 地点的气压观 测实验。通过实

8、验，他们发现天气与气压有关。这一发现为现今的人 们预报天气奠定了基础。“真空”、“大气压”相关的实验还引发了帕斯卡对流体压强的深入思考。帕斯卡应用力的平衡的观点分析研究上述的实验。 他写道“山 顶气压实验，使我亲眼看到了自然界中最轻的流体空气和最重的液体 水银之间的平衡”。通过分析，帕斯卡终于弄清楚了流体保持平衡的 情形下压强的变化规律。这些研究不仅有力地改变人们对“真空”和“大气压”的看法，而且相关的论文最终也汇集成一本帕斯卡去世一 预后才出版的流体静力学方面的经典之作一一 论液体的平衡和空气 的重量。1656年后，天生体弱多病且又多才多艺的帕斯卡被人说服去为一个名叫阿尔诺的人作宗教上的辩护

9、。此后， 充满正义感而又有哲学家气质的帕斯卡，除在1658 1659年间曾因头特别痛而短暂地研究 摆线问题外，就再也没有回到自然科学的研究上来了。说来有趣，那次头痛，对帕斯卡个人来说，是一件很痛苦的事，但对于数学乃至科学的发展来说，却是一件非常幸运的事受帕斯卡对摆线的研究工作的启发，一个叫莱布尼兹的德国数学家发明了微积分。虽然牛顿十多年前就发明了微积分，但他那特有的不爱发表的“嗜好”却好险令微积分在十七世纪“难产”。没有莱布尼兹，微积分这一数学史上对数学和自然科学，特别是物理学影响最大的发明也许要到十八世纪才能面世。帕斯卡头不那么痛后又很快“忘恩负义”地抛弃了数学，他说上帝对他的工作安排之中没

10、有数学。虽然自然科学因他的这种奇怪想法蒙受了一定的损失，但人文科学却因此而收获了一部不朽的著作。他在阿尔诺作辩护的过程中写了很多的辩护词。他的那些辩护词最终汇集成了一部他最有名的著作思想录。这一著作不仅文笔轻灵优美，而且思想活泼敏锐深刻，对后世产生了广泛而又深远的影响，一举奠定了他作为一名有世界影响的哲学家和宗教人士的崇高地位。帕斯卡的这一经历说明，善良和真心总是会有意外的回报的！托里拆利的实验传到德国后，德国科学家奥托格里克很快重复了托里拆利实验。不仅如此，他还利用他在1650年发明的抽气机将一木桶内的空气抽出。结果抽着抽着，可怜的木桶就如他所料， “啪”的一声被大气压压破了。看到普通民众仍

11、拒绝接受托里拆利所说的“真空”和“大气压”，奥托格里克觉得身为马德堡市市长，若不能帮助市民们破除迷信，那也实在有愧于“市长大人”这一伟大而又 光荣的称号了。经过一段时间的冥思苦想，奥托格里克终于想到了 一个非常漂亮的主意。1654年5月8日，天气晴朗。在当时的“德国”的特大城市雷 根斯堡的市政广场上，人山人海-四面八方的人们都涌到广场看 马德堡市市长奥托格里克的表演。只见主 席台上奥托格里克和助手在两个直径 37 厘米的半球壳中间垫上橡皮圈，两个半球壳 内灌满水后合起来；然后又把水全部抽出，使球内形成真空；最后把气嘴封闭好。奥托格里克命令4个马夫、8匹高头大马，把两个半球分开。众人的助威声中，

12、 8匹马拼尽全力 都没能把铜球拉开。8匹不行，再上8匹。只见又上去了 4个马夫、8匹高头大马。一边8匹马，在激昂的呐喊声中拼尽全力地拉、拉、 拉啊！终于，“啪”的一声巨响，两个半球分开了。是什么在作怪呢？奥托格里克再次登上主席台，再次灌水、抽水、密封。然后，这位市长大人又命令几位壮汉上台拉。 几位壮汉在众人的呐喊声中拼 尽吃奶的劲，拉、拉、拉啊，球却指然不动。奥托格里克挥了挥手， 那几位壮汉垂头丧气地走下了台。只见市长大人拧开气嘴，稍等片刻， 轻轻一拉，两个半球就分开了。这下台下的人们更是奇怪了， “难道我们的市长大人会法术？ ”奥托格里克轻轻一笑，说：“我哪会法术？里面没有空气，100个我也

13、拉不开；空气进去了，别说是我，就是三岁的小孩也能拉开。”奥托格里克就这样充满戏剧性地证实了大气压和真空的真实存在。爱因斯坦曾经说过： “政治是为现实服务的，而一个方程式则是永恒的。”今天，我们这些几百年后的普通民众都还记得奥托格里克， 不是因为他曾做过马德堡市的市长，而是因为他做的这一个实验（格里克的科学贡献很多。不过，他今天如此广为人知，确实是因为这个被称之为马德堡半球的著名实验。） 。 看来， 不仅一个方程式是永恒的，一个漂亮的实验也是永恒的。4. 从法拉第到狄拉克然而，“真空”的故事到此却还没有结束。到了19 世纪初，科学家通过实验证实了光是一种波动。一开始，科学家们是这样想的：声音是一

14、种波动，声音的传播需要介质。既然光也是一种波动，那光的传播也应当需要一种介质。太阳发的光能到达地球， 说明太阳和地球之间应当并非像以前人们所设想的那样空无一物。 加上光速又远远大于声速，所以传播光的介质一定不是寻常之物。那是什么东西呢？于是，科学家们又把亚里士多德、笛卡尔等人曾设想过的“以太”搬了出来。他们认为，原本认为是空无一物的真空地带，其实是充满了“以太”的。后来，为了解释磁体、电荷、电流等之间的相互作用，英国科学家法拉第又提出了“场”的概念。他认为磁体等物体的周围存在有一种叫做“场”的特殊物质，它们之间的相互作用就是通过“场”这种特殊的物质发生的。这样一来，原子之间的“虚空”内就不仅仅

15、有令 人高深莫测的“以太”，而且还充满了各种各样的“场”。更令人惊奇 的是，英国科学家麦克斯韦在利用“场”的概念总结当时的电磁学成 就之后得到一组方程（注：这组方程可不是同学们所熟悉的 m元n次 方程，而是一组微分方程）。通过摆弄这组方程，麦克斯韦发现，“场” 这种物质居然可以脱离“原子”而独立存在-他不仅预言了电磁 波的存在，而且还一步地指出光就是一种电磁波。更令人惊奇的是， 他的“梦魇式”的预言居然被一个叫赫兹的德国科学家用实验证实了。虽然在不久之后，爱因斯坦最终还是断言，亚里士多德等人设想的“以 太”根本就不存在，但赫兹的实验却表明，“真空”真的不空，它充 满了各种各样的“场”。看到这样的一个非常有戏剧性的结果， 身在天国的德谟克利特和 亚里士多德这对老冤家相视一笑。德谟克利特握着亚里士多德的手说:“看来真实的世界既不像是我所说的那样，也不像是你所说的那样。真实的世界倒很像是我们所说的混合体。”到了二十世纪30年代，被大物理学家玻尔认为“拥有最纯洁的灵魂”的英国著名物理学家狄拉克又提出了量子真 空的概念。他认为在真空内时时刻刻都有虚粒子和 实物粒子的转化，只是作为一个整体，真空对外不 显物理属性。这一概念能解释很多实验事实，但它 也引发出了一系列