【题】“所有房间的通风孔都是用来进行气体交换的。那些加热过的气体从通风孔逃逸,它们空出来的空间被从门缝里溜进来甚至是从墙里渗入的新鲜空气填满。火炉上方有一个敞开的小门,使火炉维持良好的通风。木柴的燃烧需要空气中的氧气,房间里的空气被强力吸入火炉里。燃烧使得这部分空气不再返回房间,而是直接从烟囱里飞走了。房间里空出来的空间也就再次被外面的新鲜空气所占据。”这段话摘自一本科技杂志,描述了温暖房间里气体交换的情形。
那么你认为上面关于空气流动的描述是正确的吗?
【解】自然界的物体被分为轻物和重物两种,重物下沉,而轻物浮于表面——这种说法是基于三百年前,在人们当中流传着一种谁也不曾怀疑的关于大气压的“真空恐惧”理论。然而事情并不是这个样子,就好像热气被拽到了通风孔,而为了填充被腾空的地方新鲜的空气从外面跑了进来那样。热空气若不是被下沉的冷空气挤压,是不会自己上升的。所以,刚才的那种说法是混淆了原因和结果。
“真空恐惧”的最终解释是由托里拆利的著名实验给出的,实验对关于轻物趋于上升的学说进行了尖锐的嘲笑。托里拆利在他的《学术读书笔记》中这样写道:
有一天海洋女神们打算编写一部物理教程。在大洋的最深处她们开办了自己的学院,并开始向海洋居民们传授基本物理知识,就像今天我们中学所做的那样。好学的海洋女神们注意到,她们平常使用的所有物体也是分成两部分:一部分下沉,一部分上升。并没有考虑在不同的环境下情况会有所不同,她们就得出结论:像土地、石头、金属是重物,因为它们在海中下沉;而另一些比如空气、蜡、大部分植物都是轻物,因为它们会浮到海面……海洋女神们好像犯了一个大错误:很多在我们人类看来属于重物的东西在她们看来都被归入轻物行列……其实这是完全可以原谅的。我曾想象自己生长在一片水银的海洋。我也会不得不写出类似的论文。我推论的依据同样是:在这样的海洋中生活多年使我确信,除了金子之外的所有物质都不可能沉到海底,除非它们被海底的什么东西绑了起来。所有的物体都具有脱离自然位置上升的趋势,只有金子会在水银海里下沉。同理,在蝾螈火怪(如果真的有这种生物的话,传说它们生长在火里)的物理世界中,它们会认为所有的物体都是重物,连空气也不例外。
在亚里士多德的著作中也曾做过这样的定义:自然界中的重物都有向下的趋势,轻物都有上升的趋势。这样的结论就和那些海洋女神的结论是一样的了。这只是通过感性得出的,并没有经过理性的思考。
这种观念在托里拆利后又经过了几个世纪的时间,还依然没有消除。至今关于“热空气上升,冷空气填充了剩余的空间”的说法还对许多读者造成误导。