真空泵按原理来分（关于空气重量的探寻）

  人们对一件事情进行追寻过程是如何导致真空泵的发明？ 这与电又有什么关系呢？ 在 Kathy 老师讲述的这段历史中包括有空气的重量、耐心的公爵、惊恐的伽利略、不幸的表面毛发、包括有24匹骏马的演示实验以及利用有味道硫磺球所做的愚蠢实验。

▲ 图1.1 伽利略

  故事还得从1633年说起，哪一年70岁高龄的伽利略没有赶上新冠疫情，但却接连碰上了一系列的麻烦。罗马教会对他非常不高兴，因为这个老头居然声称地球是围着着太阳旋转，意味着地球不再是宇宙的中心。 后来他为了保全自己，曾在宗教审判所主教面前反对过那些声称太阳是宇宙中心的异端邪说。

  由于无法继续研究天上的星星，所以他将30年积累下来的和行星无关的物理学资料集结成册出版。对此罗马教会并不知晓，但这本出版的著作更具有颠覆性和叛逆性。

▲ 图1.2 伽利略声称反对太阳中心异端邪说

  伽利略做了很多关于运动的实验，比如设想从比萨斜塔上丢下不同重量的金属球，由此他开始考虑空气的阻力，包括空气的重量。什么是空气，它有重量吗？ 伽利略决定通过直接在天平上测量空气的重量来解决这个问题。他制作了一个插有麦秆并有阀门的瓶子，将其放在天平上。向其吹入更多的气体之后，发现瓶子微微增加了几个砂粒的重量。将压缩气体释放后，重量又减少了几个沙粒。

  由此证明了空气是有重量的，但相比于水来说空气的重量是多少呢？于是他又向玻璃瓶中注入四分之三的水，在此过程中没有释放其中的空气，所以里面的空气是被压缩的。首先他称量带有压缩空气的瓶子重量，然后再将空气释放，重新进行称量。假设从瓶子中释放的空气的体积与其中的水的体积相同，他得出一个结论，空气的重量比同体积的水轻了400倍左右。

  是否听起来并不多，是吧？对于一个瓶子来说的确空气的重量轻如鸿毛。但考虑一下一个巨大建筑物中的空气，比如罗马的帕台农神殿中的所有空气，你如果将其在天平上进行称量的话，空气重量是多少呢？ 一磅？两磅？十磅？一百镑？ 注意了，实际上帕台农神殿中空气的重量为十五万磅！ 听起来的确令人震惊，这个数字也令伽利略感到惊慌。于是他决定承认瓶装的空气具有重量，一旦释放空气就不再有重量了，这的确是伽利略犯的一个错误。

▲ 图1.3 帕台农神殿中的空气重量

  1630年佛罗伦萨的大公尝试将水抽向山顶，但所有的水泵无法将水提升超过33英尺的高度，没有人知道这究竟是什么原因。对此伽利略有了解释方案，这一切都与空气重量有关。在伽利略去世前三个月，他聘请一位聪明的助手，这些伙子长着夸张巨大的山羊胡子，还起了一个女里女气的名字，埃万杰利斯塔·托里拆利。托里拆利并不理会伽利略对空气重量的担忧，他认为无时无刻挤压我们的空气，是从各个方向产生作用力，所以我们感受不到这种压力，我们浸泡在空气海洋里生活。

▲ 图1.3.1 埃万杰利斯塔·托里拆利

  关于抽水机最大扬程的问题，托里拆利认为这与抽水机的吸力无关，这是因为空气的压力作用，而真空并没有反向的压力。在1644年，托里拆利利用水银做了一个实验展示了空气的压力。之所以采用水银替代水，是因为水银比水重了十三倍。水可以形成33英尺高的水柱，水银则只能形成2.5英尺高的水银柱，这个高度比较好控制。

▲ 图1.4 托里拆利的水银柱实验

  托里拆利使用一个3英尺长的玻璃管，将其灌满水银。封死玻璃管底部后倒立过来放入另外一盆水银中。当底部封口去除后，大约半英尺高的水银流出了玻璃管，顶部形成空无一物的真空，这个过程中没有空气可以进入。托里拆利没有通过抽取过程就获得了真空，他的装置可以悬浮水银，似乎具有可以抵抗重力的神奇特性。外部的空气在玻璃杯水银表面施加压力，玻璃管顶部真空中没有相应的压力推动水银往下，所以是空气压力托住了悬浮的水银柱。实际上空气的压力随着高度会改变，或者在一场风暴之前气压也会发生变化，此时水银柱的高度也会相应的生改变。这就是为什么大气压通常使用毫米汞柱来表示，或是使用单位“torr”，来自于小伙子托里拆利的名字。他发明的这个测量压力装置也被称为 barometer。

  下面我们讲讲一位德国政治家，名叫奥托·冯·居里克。居里克实际上是世界上利用托里拆利装置来预测风暴的第一人，所以被人称为气象学之父。但他本人却对水银气压计顶部的真空特别感兴趣。他想如果是重力拉扯液体往下运动产生了顶部的真空，那么也可以使用水泵的抽力同样能产生真空。在1640年晚些时候，居里克在一个木桶里灌满了水并将其密封，使用从消防部队借来的水泵将水从木洞里抽出。但很不走运，空气仍然可以渗入木桶。

▲ 图1.5 居里克的真空实验

  后来他又使用金属容器做实验，在此过程中金属容器突然压扁破裂了。最后他制作了两个直径20英寸特别厚实的铜质半球， 可以将它们扣成一个整球做实验，这一次成功了。令他抓狂的是无论如何他也没有办法将其中的水全部抽干。在1650年他有了一个主意，他实际上不需要借助水，而是将水泵修改成可以抽取空气的空气泵即可。

  于是居里克发明了抽真空的装置，它包含有一个圆柱体，一个活塞以及两个阀门。当他往外拉活塞的时候，空气膨胀进入圆柱体。当他推动活塞时，又将空气从另外一个阀门释放到空气中。在他应用这个真空机抽取铜球内部的空气后，两个半球就像被超级胶水粘合在一起。当打开阀门放入气体之后，两个半球又相互分离。

▲ 图1.6 抽真空的两个半球

  正如托里拆利那样，居里克展示了空气的威力。当把空气从圆球内移除，外部的空气压力作用在球的表面，而内部没有了反向压力。所以如果想将两个半球分开，你必须施加与外部空气压力相同的作用力才行。这个压力大的出奇，超出了一般人的想想。

  还是城里人会玩，居里克一开始让几个彪形大汉在这真空半球上表演拔河比赛，后来甚至使用两个马队来拉扯两个巨大的真空半球，演示效果非同凡响。

▲ 图1.7 居里克使用马队来拉扯真空半球

  那么话又说回来了，这些真空实验与电有什么关系呢？ 虽然真空泵是一个非常实用的设备，这也对发明内燃机起到了关键作用，但居里克对于这些实际用途并不感兴趣，他痴迷于理论研究。就像早年间的伽利略那样他相信地球是围绕着太阳旋转，同样也认为太空中是空无一物，是真空状态。他制作的真空泵就是来证实真空是出存在的。居里克通过理论和实验来证明真空的存在，也展示了我们生存在空气海洋中。

  居里克所缺失的是对地球的模拟实验，由此产生了一个非常奇怪的想法。他在木棒一头上固定一个散发难闻气味的硫磺球，使用这个装置来模拟地球，利用硫磺球上的摩擦静电来模拟地球引力。为什么使用硫磺球来模拟地球，居里克从未提起其中的缘由，我们也不好问，但的确这个硫磺球摆弄起来非常麻烦，气味更别提了，就像腐烂的臭鸡蛋。对此，我们能够猜测他使用硫磺球来模拟地球的理由，是因为在一些火山口通常会闻到富含硫磺的气体，所以居里克认为使用硫磺球来模拟地球非常地道。

▲ 图1.8 居里克使用硫磺球来模拟地球

  不管怎样，居里克通过摩擦硫磺球使其带电，然后可以吸引起树叶和羽毛。当然这是一个非常荒唐可笑的地球理论，与地球引力没有什么关系。居里克在摆弄这个非常有味道的硫磺球的过程中他获得了一些关于电的新的知识。他检测到每过一段时间，一些被吸引在硫磺球表面的小物体会坠落掉。情况还不是这么简单，它们不是自由掉落而是和硫磺球之间形成排斥力，是被从静电球表面推开的，这种推力可以让它们在室内空气中相互追逐。换句话说，静电不仅使得物体相互吸引，还可以让他们相互排斥。

▲ 图1.9 物体之间的静电排斥力

  居里克的书籍非常流行，在欧洲掀起了一场研究真空的学习热潮。他关于地球模型的工作由于太过魔幻通常被人们忽略了，但大多数欧洲人正是通过他的实验了解了静电可以产生排斥力。

  也正是居里克关于真空的研究激发了下一波在电学方面的突破，晃动的水银气压计，吝啬的牛顿和他那没有被重视的助手，制造了人类第一个荧光灯，这个发明比起电池的出场几乎提前了一个世纪，比第一个商用荧光灯的出现早了两个世纪。

[1]

How the Inquisition led to the Vacuum Pump: Weight of Air & How a Barometer Works: https://www.youtube.com/watch?v=oooS4Odq3PY&list=PLepnjl2hm9tF-CxhyRFZi3Pujkq_V4pKP&index=3