书城童书我的第一本环境科学探索发现
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第3章 科学家的故事(3)

1647年,帕斯卡通过试验已经证明了真空的存在,但他的研究成果同样受到了当时很多人的质疑,如大数学家笛卡儿就对帕斯卡的结论不以为然,并大加讥讽,说他“头脑里真空太多了”。为了给反对派以“致命一击”,1648年9月19日,帕斯卡委托他的内兄佩里埃到山顶去进行水银柱实验,佩里埃按照帕斯卡的嘱托,反复认真测量了山顶与山底水银柱的高度,他惊讶地发现,山顶水银柱高度要比山底低85厘米。当帕斯卡知道这个消息后,立即爬上一个50米的高塔重复进行这个实验,结果证明塔顶水银柱要比塔底低045厘米,由此帕斯卡意识到大气压随高度变化。后来人们根据大气压随高度增加而减小这个现象,制成高度计,用来测量各地区的地势高度。帕斯卡在实验过程中还发现大气压与当时当地的气象有关,从而预言了可以用气压计来做气象预报。在分析总结实验的基础上,帕斯卡后来写了《关于真空的新实验》一书,全面论证了托里拆利的发现是正确的,有力地驳斥了所谓“自然厌恶真空”的谬论。

帕斯卡从小就体质虚弱,又因过度劳累,致使疾病缠身。然而正是他在病休的1651~1654年间,仍然紧张工作,写成了《液体平衡及空气重量的论文集》,著名的帕斯卡定律就记载在这部著作中。1662年8月19日帕斯卡逝世,年仅39岁。为了纪念帕斯卡在研究压强方面的杰出贡献,国际单位制中规定用“帕斯卡”来命名压强的单位,简称帕。

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科学研究就是在攀登高峰,但要登上最高峰,必须付出极大的努力。即使天赋很高,勤奋也必不可少。帕斯卡虽然只活了39岁,但却给后人留下了帕斯卡定理、帕斯卡三角形、帕斯卡定律,此外,他还是近代概率论的奠基人。格里克和“马德堡半球试验”

为了验证大气压的存在,许多热心科学的人为大众做了各种各样的实验。其中,德国人格里克做的马德堡半球实验,用显而易见的事实让人们相信了大气有压力,这一著名的试验在当时曾轰动了欧洲。

格里克1602年生于德国马德堡市的一个富裕家庭。他15岁时进莱尼兹大学学习法律,20岁毕业,他在研究法律之余,对于实验及数学等也有浓厚的兴趣。格里克大学毕业后,曾先后赴英、法两国留学,23岁时回到故乡。当时的欧洲正卷入战争的旋涡之中,马德堡被攻占后,全市烧毁一空,格里克被敌人所捕,经瑞典朋友的资助,始得赎身出狱。后来,在瑞典国王的帮助下,收复了马德堡市。1646年,格里克被选为该市市长。格里克就任之后,兢兢业业地工作,不遗余力地架建桥梁,建造要塞。同时,格里克仍不忘研究自然科学,在真空的研究中取了可喜的成就。

当时的科学界,创造真空是一个重要课题,格里克根据吸取式抽水机的原理,经过精心设计和试验,终于制造了活塞式抽气机。此后,格里克利用抽气机又做了许多关于真空和大气压强的实验。他发现,真空里的火焰会熄灭;鸟在真空里,难过地张开大嘴,拼命吸气,一会儿便死去;鱼也会在真空中死去;葡萄在真空中能保持6个月不变质,等等。格里克曾将含有空气的猪膀胱,放入抽气机的钟罩里去,然后将钟罩中的空气抽去,便见到膀胱逐渐膨胀以至破裂。他又在玻璃容器中装入一只正在发出声音的钟,当将容器里的空气抽出后,就听不到声音了。由此证实,声音不能在真空里传播。

格里克还曾在一根10米多长的管子上接一段玻璃管,玻璃管里注入水,然后顶端封闭,把它做成水式气压计,即以水柱代替托里拆利管中的水银柱。他观察到,在天气变化时,水柱的高度会发生变化,从而利用这个仪器作天气预报。他制作了一个小木人浮在这个仪器的水面,小木人的手指指出了各个位置上的空气压强。格里克告诉人们:我们平时生活在空气中,每个人身上要受到20多吨重的大气压。他的这一论点使人惊讶,连许多科学家也不相信。为了证实这一点,格里克决定当着皇帝和众多观众的面做一个证明大气压强的实验。

1654年5月8日,格里克和助手做了两个直径30多厘米的半球,当众把这个黄铜的半球壳中间垫上橡皮圈;再把两个半球壳灌满水后合在一起;然后把水全部抽出,使球内形成真空;最后,把气嘴上的龙头拧紧封闭。这时,周围的大气把两个半球紧紧地压在一起。格里克一挥手,4个马夫牵来8匹高头大马,在球的两边各拴4匹。格里克一声令下,4个马夫扬鞭催马、背道而拉,好像在“拔河”似的。“加油!加油!”实验场上黑压压的人群一边整齐地喊着,一边打着拍子。4个马夫,8匹大马,都累得浑身是汗,但是,铜球仍是原封不动。格里克只好摇摇手暂停一下。然后,左右两队,人马倍增。马夫们喝了些开水,擦擦额头上的汗水,又在准备着第二次表现。格里克再一挥手,实验场上更是热闹非常。16匹大马,使劲拉,8个马夫在大声吆喊,挥鞭催马……实验场上的人群,更是伸长脖子,一个劲儿地看着,不时地发出“哗!哗!”的响声。突然,“啪!”的一声巨响,铜球分开成原来的两半,格里克举起这两个重重的半球自豪地向大家高声宣告:“先生们!女士们!市民们!你们该相信了吧!大气压是有的,大气压力是大得这样厉害!这么惊人!……”

实验结束后,仍有些人不理解这两个半球为什么拉不开,七嘴八舌地问他,他又耐心地作着详尽的解释:“平时,我们将两个半球紧密合拢,无须用力,就会分开。这是因为球内球外都有大气压力的作用,相互抵消平衡了。好像没有大气作用似的。今天,我把它抽成真空后,球内没有向外的大气压力了,只有球外大气紧紧地压住这两个半球……”

通过这次“大型实验”,人们都终于相信有真空;有大气;大气有压力;大气压很惊人。也许人们要问:既然大气压力这么大,那我们平时怎么很轻松,丝毫没有任何感觉呢?原来,空气是从四面八方包围着一件东西的,它的压力也是均匀地从四面八方压向同一物体,我们人的身体是和外界相通的,身体内部也有空气,也有压力,这个由里向外的压力和外界的压力平衡,互相抵消了,所以我们身体就不再觉得受到压力了。

格里克研究大气压强是独立进行的,等他证明了大气压强的存在以后,才知道托里拆利在11年以前已经用实验完成了这一发现。即便如此,人们也没有忘记格里克的功劳。为了纪念他,人们把他设计的两个金属半球称为“马德堡半球”,把那次著名的试验称为“马德堡半球试验”。

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古语说:“习惯成自然。”就是说习惯的东西久了,就容易不加考察、辨别,盲目信任并且照着去办,这种盲目的态度不利于人们正确认识客观事物。格里克的可贵之处就在于,他有严谨的态度和求实的精神,对前人讲不清楚的事物敢于寻根究底,决不满足于一知半解。

吉尔伯特与地球磁场

大家知道,人类居住的地球被一个巨大的磁场包围着。地球磁场和我们的生活密切相关。正是因为有了强大的磁场,地球才变得生机勃勃,欣欣向荣。人类很早就发现了磁场,我国四大发明之一指南针就是根据地球磁场的原理设计的。在古希腊,人们把天然的磁石看作“圣石”,认为磁力十分神秘。直到1600年,才有一位叫威廉·吉尔伯特的英国人系统提出了地磁场理论概念。

吉尔伯特于1544年5月24日出生在英国科尔切斯特市一个大法官家里,年轻时就读于剑桥大学圣约翰学院,攻读医学,获医学博士学位。毕业后,他开始在伦敦开业行医。1581年进入皇家医学院工作,后来当了院长。在英国甚至在欧洲大陆,吉尔伯特是一个有很大成就和很高声誉的医生。由于他医术高明,1601年应召进宫,任伊丽莎白女王的御医,直到1603年去世。吉尔伯特起初研究过化学,后来花了20年左右的时间,进行了关于电和磁的实验。

当时的人们已经对磁场有了一定的认识,与吉尔伯特同时代的诺尔曼就曾做过大量有关地球磁场的实验。诺尔曼曾经是一个有经验的领航员,当时最重要的导航仪器罗盘就是由他发明的。在多年的航海实践以及做实验的过程中,诺尔曼发现磁针所指示的北极和实际的北极有偏差,而且有下倾现象,另外他还发现磁力不具有重量。

吉尔伯特很善于借鉴前人的经验,并常常用实验来说话。为了验证磁针的偏角和下倾现象,吉尔伯特按照诺尔曼的方法,制成了一个球状磁石,进行了著名的“小地球”实验,先在“小地球”上用罗盘针和粉笔划出了磁子午线,然后找出“小地球”的南极和北极,并且使用罗盘针在“小地球”上作观察。罗盘针指向了“小地球”的南北极,这种情形与罗盘针在地面上指向南北方向的情形是完全一致的。这个实验证明了诺尔曼所发现的磁针下倾现象的存在。

另外,吉尔伯特还发现表面不规则的磁石球,其磁子午线也是不规则的。由此,吉尔伯特认为罗盘针在地球上和正北方的偏离是由陆地所致,必须从地球内部去寻找地磁的原因。吉尔伯特首先提出磁场是磁化物体作用圈的概念。他认为,组成地壳和上地幔的岩石具有相当强的磁化能力,因此造成地球磁场的是地球物质的磁性,这就是地磁场的铁磁假说。此外,他还发现物体的磁化强度在物体加温到赤热程度时就会消失。吉尔伯特断言:地球的磁极与地理极几乎一致。磁偏角的大小取决于大陆和海洋的位置。海洋是非磁性的,大陆则可能由磁性物质形成。他还认为地球的磁力一直伸到天上,并使宇宙合为一体,引力无非就是磁力。

1600年,吉尔伯特对多年的研究成果进行了总结,写成了名著《论磁石、磁体和大磁铁——地球》一书,对地磁的成因做了理论上的阐述。这是第一部有关地磁的科学著作,书中的很多理论对后来的科学发展产生了巨大的影响。

自吉尔伯特以后,许多科学家继续对磁力进行研究,终于查明了磁力所具有的各种性质。现在看来,吉尔伯特的有些结论还下得过于粗浅,但是,通过他的努力,地磁学在当时已经向一门独立的学科迈出了坚实的第一步。他关于地磁现象的研究为后来电磁学的产生和发展创造了条件,被后人誉为“磁学之父”。为了纪念他,电磁学中磁动势的单位吉伯就是以他的名字命名的。

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吉尔伯特是实验科学研究的开拓者之一,他一生做了许多大量实验进行科学研究。仅记录在《论磁石、磁体和大磁铁——地球》一书中的实验就多达600多个,因而他的工作被认为是用实验方法探索自然界和从理论上解释自然界相结合的最好范例。

伽利略与温度计

世界上很多物质都具有热胀冷缩的特性,水、空气、水银和酒精等在加热的情况下体积都会膨胀,而在变冷的情况下则会缩小。因此,在日常生活中,我们发现夏天的电线往下垂,冬天的电线绷得直;铁路的路轨夏天变长,冬天变短,中间空隙有大有小;踩瘪的乒乓球放到热水中,凹下去的地方一下子就复原了……这些都是因为热胀冷缩的缘故。人类很早就发现了这种现象,公元前3世纪就有人做实验来演示空气的热胀冷缩,然而都没有想到利用它来测量温度。最早利用这一特性来反映冷热程度的,是意大利物理学家、天文学家伽利略,他制作了世界上第一支温度计。

伽利略于1564年2月15日出生在意大利的比萨城。他从小就表现出强烈的求知欲望。大自然中的一草一木,天空中的星星、太阳,都能引起他极大的好奇。17岁那年,伽利略按照父亲的意愿,考上了比萨大学医科专业。在学习医学的过程中,伽利略认识到人的生病与体温变化有很大的关系,也就是说,通过了解人的体温,有助于确定其身体状态。可在当时,医生只能用手触摸病人,凭感觉来推测人体的大致温度,这种方法显然容易产生误差,并不精确。伽利略想:能不能发明一种可以精确地测出病人体温的仪器呢?于是,伽利略开始构思这种新仪器的使用原理。

一天,伽利略在沉思时,看到一位小孩正在玩一种玩具。这种玩具据说是古希腊人发明的,它的结构很简单:在U形的玻璃管里装一半水,将弯管的一端用铅球密封,另一端用玻璃球密封,使管中的空气跑不出来。玩的时候,在铅球下加热,U形管中的水就会向回退缩;移开铅球下的火源,铅球冷却,水就会升到原来的位置。伽利略看着看着,产生了一个新的想法:“为什么不根据热胀冷缩的现象来制作呢?”于是,伽利略便对热胀冷缩现象进行进一步的研究,并在此基础上设计了许多方案,但这些方案后来都被他一一淘汰了。

一晃十多年过去了,在这期间,伽利略当然不仅仅考虑温度计一件事,他发现了摆动定律,可以使机械钟走得更准确;他在比萨斜塔上做了著名的落体实验;他还离开了比萨大学,被聘为帕多瓦大学的教授。在帕多瓦大学,伽利略白天教书,晚上同学生们讨论学问,然后再回到自己家里休息。说是休息,其实他还要做实验、制仪器,天天如此。

1593年,伽利略终于发明制作出了第一支空气温度计。这种仪器结构非常简单,但以前从未有人想到过:它是由一个充满水和几个漂浮的泡泡的玻璃管组成。这些泡泡是充满有色液体混合物的玻璃球。这种液体混合物可能含有酒精,也可能只是含有食品色素的水。每个玻璃泡都与一个指示温度的小金属标签相连,标签上刻有一个数字和温度符号。事实上这些金属标签都是经过校准的平衡物,每个标签的重量都与其他的稍有不同。由于这些玻璃泡都是手工吹制成的,它们的大小和形状不完全一样。这些玻璃泡是通过向其中加入一定量的液体,使其具有完全相同的密度的方式来进行校准。因此,在连接上经过配重的标签后,每个玻璃泡的密度与其他玻璃泡都略有不同,而所有玻璃泡的密度都十分接近于围绕着它们的水的密度。它的基本原理就是随着温度计外空气温度的变化,围绕着玻璃泡的水的温度也会发生变化。而随着水温的变化,水会膨胀或收缩,其密度由此发生改变。所以,在任何一个给定的密度下,有些玻璃泡会浮上来,而其他的则会下沉,下沉最多的玻璃泡即指示了当前的大约温度。