制作真空

时间:2024-06-28 17:35:02

伽利略知道,抽取式水泵最多只能将水抽到10米高。自然会阻止真空的形成,但是似乎存在限制:虽然不知道是何物在阻止真空的形成,但当水到达10米之后,此物看起来是被打败了。伽利略想知道,如果他用密度最大的液体--水银来代替水,将会有什么效果。伽利略有一个学生名叫埃万杰利斯塔·托里拆利(Evangelista Torricelli),其在伽利略的指导下于1643年得到了答案。他利用一支一端密封的长约一米的玻璃管,以及一个装满水银的杯子完成了一个简单的实验并分析了结果。

对于这个实验,现代的科学教材可能会描述如下:首先,用一支一端密封的短管,10厘米或20厘米长足矣,其中装满液体。用手指将开口端堵住,然后将管子倒过来,小心地将其放入液体杯中,当开口端没入液面之下后轻轻将手指移开。当开口端在液面以下时,管中的液体会老实待着:液面上方会保留着一条美丽的水银柱。托里拆利实验使用的液体是水银,当然这种物质由于其毒性,今天已经越来越少被用来进行验证演示了。他发现,管中的水银和杯子上方的空气之间的相对质量会直接关系到液柱的支撑能力。更加准确地说,为了平衡杯中水银上方的空气压力,管中的水银必须存在一定的高度。其实托里拆利的实验中所使用的管子大概有76厘米长,并且曾经出现一个难题:如果将一支1米长的管子装满水银,同样倒过来并将开口端浸入液体杯中,那么水银柱会往下掉直到高度是76厘米,然后保持稳定。那么在管子顶部出现的24厘米长的空间里面是什么东西呢?曾经充满水银的这24厘米,现在似乎什么都没有了。由于空气不会进入这24厘米,托里拆利意识到:他成功地制作出了真空。

在海平面,我们上方的空气重量会形成每平方厘米约1千克的力,相当于每平方米受力约10吨。对于空气的巨大力量最著名的验证当属奥托·冯·格里克(Otto von Guerick)的实验,此人在德国马德堡市做了30年的市长,并且是一位在科学普及方面有着巨大天赋的科学家。

1654年,他进行了其“真空秀”,使用了16匹马、两个直径约1米的中空铜质半球,还邀请了当地的消防部门。这两个半球被组装成了一个整球。格里克首先演示轻松地将两个半球分开又合拢。当然,正如魔术师表演时一样,他随机邀请了几名现场观众来确认分开、合拢两个半球确实是容易的。接着,真正的表演开始了,由马德堡消防部门提供的真空泵被接入其中一个半球的阀门上,然后对整球抽气。数分钟后,他宣布球内的空气已经抽完,然后关上阀门,移除真空泵,并邀请现场观众再来分开两个半球--这自然就变成了不可能的任务。为了增加表演的戏剧性,使其更容易被人铭记,每组8匹马的两组马队整装待发,一队拉住一个半球,另一队拉另一个半球。教科书对之后的结果描述得很简单:两组马队反方向拉两个半球却没有拉开。但事实往往充满偶然并复杂得多,先是每匹马“各自为政”,拉的方向不统一。格里克进行了六七次尝试才使得这两组马队步调一致且方向统一。然后它们就开始了声嘶力竭的“战争”,两组马队倾尽全力进行反方向拉拽,但是这两个半球严丝合缝,根本没有一点分开的意思。最后,格里克将放气阀门打开,等空气进入球内之后,两个半球就被轻易地分开了。

制作真空

图1.2 马德堡半球实验

在格里克的实验里,当球壳内的空气被抽走之后,由于没有球壳内部的压力补偿,上空的大气重量就全部压在球壳外部,净压力约10吨每平方米。虽然黄铜球壳的强度很大不会被大气压瘪,但是8匹马组成的马队的力量就不足以克服球壳外表面数吨重的压力了。