空气与真空

地球上的人要活下来，最需要的东西是什么呢？

人类的生活条件复杂多样，我们知道有人生活在水上或地下的例子。我们知道，有的民族全体生活在阴暗寒冷的地方，一年中多数时候都感受不到阳光和温暖……可就连这么恶劣的环境，人同样适应了过来。

可是，人没了空气还能活吗？人能长期或永久适应没有空气的生活吗？也许有人曾出于迫不得已去适应这种环境。但时至今日，人类已经度过了成千上万年的岁月，却没有离开空气还能活的例子，过去没有，现在没有，以后也不会有。空气是不可或缺的，就像……空气那样不可或缺：难怪人们用这句俗语来形容极为迫切的需要呢^[2]。

既然空气这么重要，那我们对它是否有了应有的认识呢？不，我们对空气的了解还不是很多，对全球的大气层知晓得就更少了。为什么呢？因为对这种自然力的认识直到18世纪末才随着自然科学的发展而起步，至于利用科技来开发大气的实践就更晚了，足足要等到20世纪初。

不错，早在公元前好几个世纪，古希腊的学者们就提出，大气是地球上的生命的基本元素，大气的凝聚形成了火、水和土（这是哲学家阿那克西美尼^[3]和阿那克西曼德^[4]的观点）。另有两位年代稍晚（公元前5世纪）的希腊哲学家甚至用非常简单的实验证明了，空气并不像表面上看的那样空无一物。

你不妨自己做几个简单的实验。一头封闭的管子里紧紧安着活塞，用力按压活塞，你会发现手的压力越大，活塞的弹力就越强——这说明管子里确实有什么东西（阿那克萨戈拉^[5]的实验）。将底朝上的杯子或瓶子迅速浸入水中，你会发现这“空空如也”的容器里并不会进水，或者只进了很少的水：这就说明，所谓“空空如也”只是表面现象，里头其实是被某种东西占据了的（恩培多克勒^[6]的实验）。

可是，尽管人们已经清楚感受到了这“某种东西”，后来却没有继续研究下去。当时的科学过于依赖抽象的讨论和推理，很少使用实验方法，常做的实验也是出于玄学的目的（比如寻找炼金术之类的奥秘）。机智的古希腊人直到两千多年后才有了合格的后继者，来接手他们当年研究空气的实验，这在今天看来真是太匪夷所思了！春去秋来，寒来暑往，大地上的人们就这样见证了两千多次的四季变更。日月经天，繁星无数，一些饱学之士也悟出了其中的奥秘。可关于生活中无处不在、包含一切、滋养着我们的血液的空气，两千多年的岁月竟没能带来什么新的知识。只有天才伽利略并不轻视对空气的研究，他不仅在力学上做出了许多伟大的发现，还为空气的问题增添了新的知识。既然空气不是虚空，它就该有自身的重量；要想对空气有个初步的认识，好歹得先给它称称重吧。伽利略正是给空气称了重：首先把空瓶放在寒冷的环境下称重，然后通过猛烈加热让部分空气膨胀逸出，再称一次重（这是17世纪初的实验）。不出伽利略所料，瓶子的重量发生了变化：这个变化的量就确定了空气的重量（当然，这样的结果是不怎么精确的）。

另一位学者更直观地区分了“空气”与“真空”的概念，他便是伽利略的学生及其在佛罗伦萨^[7]学院的后继者——著名的物理学家托里拆利。把气压计的玻璃管口朝下浸入水银，管子里的水银柱升到760毫米便不再上升，剩下的空间里是没有空气的（见图1-1）。这就说明，地球上无所不在、无孔不入的空气，依然可以从空间中分离开来。

图1-1　托里拆利真空。

稍晚些时候，有“德国的伽利略”之称的学者奥托·格里克做了个极为精妙的实验。格里克曾任马德堡^[8]的市长35年之久。他做了两个直径约40厘米的、一模一样的铜质半球，将它们的开口拼在一起，并在接合处的外缘绕上一道皮带，皮带上浸透了防止空气通过的溶液，这样便合成了一个铜球。然后，他用自己发明的气泵透过龙头把铜球里的空气全抽出来，两个半球便紧紧地贴在一起；人们找来了足足十六匹马，每八匹拉住一个半球，又叫最能干的马夫赶了好久，才把两个半球生生地拉开！铜球分开时还发出一声震耳欲聋的巨响，仿佛是有人放了一枪。而要是拧开铜球上的龙头，让空气慢慢流进无空气的铜球内部，便能不费吹灰之力把它掰成两半儿。“马德堡半球实验”（实验时间为1654年，见图1-2）不仅证明有空气与无空气的空间之间存在不同，还表明大气具有极其强大的力量，仅靠自身的重量（压力）就能从外侧合住两个毫无联系的物体，不让它们分离开来。

由此看来，直到17世纪中期，空气的两项基本属性——重量和压力才得到了人们的认识。之后又过了一百多年，人们才开始对气体^[9]的基本属性进行仔细的研究，而直到18世纪末，孟格菲兄弟^[10]和物理学家夏尔^[11]的氢气球问世之后，人们才初步对大气有了整体的认识。