第2章 物理大发明(2)

托里拆利用汞柱倒置的方法使玻璃管的上方出现真空，人们称之为托里拆利真空，可以说这是最早获得真空的方法。他的发现传开后，人们又做了许多实验来研究这个现象。例如，1647年有一位法国物理学家叫罗伯维尔（G.Roberval），做了一个有趣的实验，他从鲤鱼肚里取出鱼鳔，尽可能将里面空气排尽，再把开口扎紧，放在托里拆利真空区内，结果鱼鳔膨胀起来。这个实验令人信服地说明了，大气压下留在鱼鳔中的残余空气，当外部气压减小到零时，会膨胀为很大的体积。不久有人著书评述了这个实验，认为空气具有弹性，就好像海绵或羊毛一样，受到压力会收缩，压力减轻会膨胀。

德国人格里克在事先不知道托里拆利实验的情况下也发现了真空。他的经历饶有兴趣。有一天，他让家人用唧筒抽酒桶中的水，在抽的过程中唧筒脱落了，他们用布条重新绑好，由于填塞过严，桶口封住了，结果把桶内的空气也抽掉了，只听得里面一片沸腾的噪音。格里克从这件事得到启发，就用铜球壳代替木桶，让家人再用唧筒抽。家人越抽越费劲，最后只听嘭的一声，铜球塌瘪了。

1654年，格里克为了向公众演示抽气实验，他安排了两个引人注目的表演。由于他那时是德国马德堡市的市长，所以这两个实验也叫马德堡半球实验。实验之一，两个严密对接的半球形金属壳，中间抽空后，用16匹马也没有将两金属壳拉开。实验之二，一对抽空的半球吊在支架上，可以承受非常大的负荷。格里克没有对吸力的起因提供解释，他的贡献，主要是发明了真空泵。马德堡市长的新奇实验轰动了德国，当消息传到英吉利海峡对岸时，引起一番波澜，又有人做了许多新奇实验。其中一位就是大名鼎鼎的玻意耳。

水压机的发明

在帕斯卡之前就有人研究过液体静力学，并且不很明确地得到了帕斯卡定律。例如荷兰人斯蒂文就曾用实验演示过液体中的压强，他得出结论：液体对盛放液体的容器之底部所施的力只取决于承受压力的面积和它上面液柱的高度，而与容器的形状无关。

斯蒂文的实验装置中，容器ABCD注满了水，容器底部有一圆形开口EF，盖着一个木制的底盖GH。另有一个容器IRL与ABCD一样高，也注满水，底部也有同样大小的开口和底盖。他用杠杆拉住底盖，杠杆的另一端加重物T与S，底盖分别被重物T与S提起，而T与S彼此相等。这就证明了，尽管这两个容器的水重不一样，但底盖承受的压力都一样。

接着，斯蒂文在这个基础上，证明了液体中各个方向的压强只决定于所处的高度。

帕斯卡更深入地研究了液体的静压力。他明确地表述了液体中任何点上各个方向的压强相等的原理。他的成功主要是把大气压的成因用于解释液体中的压强，找到了两者的共性，并且巧妙地把实验和推理结合起来。他在死后第二年出版的著作《论液体的平衡及空气重量》（1663年）中论述了液体的平衡和浸在液体中的物体所受的压力，接着根据这些结果解释了以前归结为自然界厌恶真空的种种现象。在这本书中，帕斯卡首先介绍一系列实验结果，然后根据这些实验结果展开了严密的推理。

他在论述液体中压强的传递时，以水压机模型为例进行推理，写道：“如有一充水容器，除两出口外，其余完全封闭。一个出口比另一出口大100倍。设在每一出口中放入一个大小恰好合适的活塞。一个人推小活塞的推力等于100个人对大活塞施加的推力，所以一个人的力可以胜过99个人的力。”

为什么小力能克服大力呢？帕斯卡认为这和杠杆原理有类似之处。他依照杠杆原理的推理来证明上述结论：

“由于容器内水的连续性和流动性，压强应遍及容器内各个部分，小活塞把水推动1英寸，水就使大活塞推进1%英寸。100磅水移动一英寸与1磅水移动100英寸，显然是同样一回事。”

也就是说：小力虽然只有大力的1%，但其作用距离却是大力的100倍，所以效果是相等的。

接着帕斯卡进一步推理：大活塞的力虽然比小活塞的力大100倍，但它与水接触的面积也大100倍，所以每部分水的压强即单位面积所受的力和小活塞仍然相等。而大活塞所处的位置是任意的，所以这一关系与大活塞所处的位置无关，与其远近和方向也无关。

于是，帕斯卡就得出了后来表述为帕斯卡定律的明确结论：“在密闭容器里液体中任何地方施加压力，其压强将毫无损失地经液体传递到各个部分并垂直于液体的所有表面。”

蒸汽机的发明

蒸汽机的历史可以追溯到古希腊时代。公元50年，希罗（Heron）发明过一种演示用的蒸汽轮球。当加热后蒸汽从喷嘴喷出时，轮球就会沿相反方向旋转。可是当时这一创造成果并没有得到实际应用，发明者自己也没有这种打算。1000多年过去了，当工矿业有了发展，才有人试图制造从矿井里排水的蒸汽泵。1630年就有人曾因发明以蒸汽为动力的提水机械而获专利，不过所有活动都只限于设计或试制，没有实用价值。实际上只有德国的巴本（D.Papin）、英国的萨弗里（T.Savery）和纽可门（T.Newcomen）才是蒸汽机的发明者。

萨弗里是英国工程师，他在1689～1712年间，先后创制了几种蒸汽机。其中有一种直接用于提水的机器。其工作原理是：蒸汽从锅炉通过打开的阀门进入气包，再把水从那里通过活动阀（这时另一活动阀关闭）压到储水池中，当气包中的水所剩无几时，关上阀门，从水箱向气包放水冷却，于是气包内形成负压（负压的意思是这里的气压比大气压低），在大气压的作用下，水从吸筒经活动阀进入气包（这时另一阀门关闭）。如此周而复始，达到连续抽水的目的。这种蒸汽机提水的高度据说只有7米，每小时可提水十几吨，但它需有人每隔十几秒关一次阀门。如果忘记及时启闭阀门，就有可能引起锅炉爆炸。再加上矿井很深，往往需用几台蒸汽机分几个台阶提水，既不经济，也欠安全，所以矿主们不大愿意采用。

纽可门的蒸汽机是在萨弗里的蒸汽机的基础上进一步改进的产物。纽可门是一位铁匠。他在活塞上加了一庞大的摇臂，摇臂的一侧挂有平衡重物，重物下面连着抽水唧筒杆。重物由于自身重量下降时，拉动活塞升起，蒸汽从锅炉经过打开了的阀门进入气包，这时关闭阀门，通过气包的水门打开，冷水从水箱进入气包，使蒸汽冷凝，气包内形成负压。在大气压的作用下，活塞向下移动，将抽水唧筒杆提起。

纽可门蒸汽机的优点是把动力部分的抽水唧筒分开，气压较低，比较安全。后来又有人把阀门启闭的工序改用飞轮，实现了自动化，于是就有不少矿山乐于采用。

纽可门蒸汽机的效率非常低，直到1769年瓦特（J.Watt）进一步改进后，蒸汽机才得到广泛应用。

瓦特是苏格兰发明家，1763年1月19日生于格林诺克的工人家庭里，由于家庭影响，从小就熟悉机械制造的基本知识，18岁到伦敦一家钟表店当学徒工，学会了使用工具和制造器械的手艺。他利用业余时间刻苦学习，努力实践，掌握了罗盘、象限仪、经纬仪等复杂仪器的制造技术。后来瓦特到格拉斯哥大学，负责教学仪器的修理。他在修理工作中进一步熟悉了这种蒸汽机的结构，搞清了它的原理，并找到了效率低的原因。原来，纽可门蒸汽机的汽缸每次推动活塞后都要喷进冷水，使蒸汽凝结，所以汽缸要反复加热，白白消耗掉许多热能。1769年瓦特发明冷凝器，发明了制造精密汽缸和活塞的工艺，创造了单动作蒸汽机。他经过不断试验，又发明了双动作蒸汽机，从汽缸两边推动活塞运动。他利用曲柄机构，使往复的直线运动转变为旋转运动。他还设计了离心式节速器控制蒸汽机的转速。经过他一系列革新，蒸汽机逐步完善，效率也大有提高。工业界广泛采用蒸汽机，促进了工业革命的到来。

莱顿瓶的发明

电，这个无处不在、神出鬼没的幽灵，人类从认识它到驾驭它、利用它，历经了好几百年的时间。在古人眼里，雷电是天神发怒的象征。琥珀摩擦后可以吸引纸屑和芥子；梳头解衣时，往往火花伴随噼啪声随之而来。这类现象可以说是人类认识电的开端，这种认识只局限于一些日常现象。人们既没有认识到电现象的普遍性，更没有触及它的本性。

电学的发展，只靠观察是不够的，必须进行实验，通过实验有目的地去探索，才可能掌握电的规律。而实验的进行关键在于能够人为地产生电，按照人的意志实现各种电现象，从而达到研究和应用的目的。所以，基于摩擦起电的道理出现的摩擦起电机在电学史上占有重要地位。而能产生稳定电流的伏打电池，则进一步使人类能够研究和利用电流的各种效应。我们这里就从摩擦起电机的发明讲起，再介绍化学电池的发明和电学基本规律的发现，以及电流磁效应和电磁感应现象的发现。

1660年前后，在前面提到的那位发明真空泵的德国市长格里克创制了一种机械装置，可以连续摩擦生电。他取一个儿童脑袋一般大的球形玻璃烧瓶，把碎硫磺放进瓶里，一起加热，使硫磺融熔，在加热过程中不断加硫磺，最后，瓶里充满熔化了的硫磺。再插入一根木柄，等硫磺冷却后，打破玻璃，得到一个漂亮对称的硫磺球。他把硫磺球支在木架上，让硫磺球转动，同时把一只手按在球上摩擦，于是硫磺球就会显示出像地球吸引万物般的特性。格里克还发表了另外一张图。实验者正举着带电的硫磺球，球体移到哪里，那里的一切轻质物体都受到吸引。纸片、羽毛纷纷朝它飞来，水球滚动，枯叶摇晃。手指靠近，闪光、爆破声，与雷电无异。

为什么格里克会想到用一个旋转的硫磺球来做实验呢？原来他并不是单纯为了演示电现象，而是为了证明地球吸引力乃是某种“星际的精气”，他的真空实验，也和这个总目标有关。

格里克的硫磺球实验确实模拟了地球的吸引作用，甚至他还显示了硫磺球的引力比地球吸引力大。然而，他也发现两者有不同之处。在硫磺球周围，也会有物体被排斥，羽毛在硫磺球和地板之间会上下跳动。格里克开始领悟到，重力并不能归结于电力，它们各有特点。接着，格里克又做了许多电学实验，其中包括电的传导和静电感应，可惜没有得到别人的重视。

格里克发明摩擦起电机的消息和他的真空泵一起在欧洲各国传开了。人们竞相仿制并改进他的起电机。人们发现，格里克的摩擦起电机其实不必把玻璃瓶打碎，甚至不用硫磺，直接用玻璃瓶就可以做实验。很多人对电感兴趣，有的是为了研究电的性质，有的则是为了让王宫贵族取乐而用于表演魔术，但是在有意无意的探索活动中，逐渐摸清了电的性质。

牛顿对电学也很感兴趣。1657年他用玻璃球起电机研究了电的吸力和斥力、火花放电等现象。1703年12月5日，英国皇家学会热闹非凡，这一天他们有两件新鲜事。一件是牛顿就任皇家学会主席，一件是牛顿任命他的助手豪克斯比（F.Hauksbee）担任实验师，牛顿希望在皇家学会提倡实验，恢复实验空气。豪克斯比当众表演了精彩的真空放电实验。他用摩擦起电机使真空发出辉光，说明真空也会产生电的现象。

进一步的实验，豪克斯比还用棉线显示了电力，演示了“电风”。他做了一块玻璃圆柱体，长17.78厘米，直径也为17.78厘米，周围是一根木箍，上面等距离地连着许多条棉线，当他旋转并摩擦圆柱体时，棉线沿半径方向伸直，趋向一个中心。豪克斯比没有忘记他的恩师，他把这一事实联系到牛顿的宇宙学说，解释说：这些线条就像是受到了重力，沿直线方向吸向中心。

1720年又有一位英国人叫格雷（S.Gray），他对电的传导进行了研究，发现摩擦过的玻璃所带的电可以转移到木塞上，再经细绳传到20米以外的骨质小球。他还让一个小孩做人体带电实验。他用丝绳把小孩吊在顶篷下，在小孩身下放许多轻质物体，例如羽毛之类。然后将摩擦过的玻璃管接触小孩腿部，结果小孩的手和头部都能吸引羽毛。格雷通过实验，发现了电的传导性，而且分清了导体与绝缘体。

下一步的进展是法国的杜菲（du Fay）作出的。格雷的实验引起了他很大的兴趣，他总结了前人的经验，提出了许多问题，例如：

（1）是不是所有物体都可以靠摩擦带电，电是不是物质的普遍属性？

（2）是不是当所有物体接触或靠近带电体时都可以获得电？

（3）哪些物体会使电的传递停滞，哪些利于电的传递？哪些物体最容易被带电体吸引？

（4）斥力和吸力之间有什么关系？它们之间是否有联系，抑或是完全独立的？

（5）在虚空处、在压缩空气中、在高温下，电的强度是增还是减？

（6）电和产生光的能力之间有什么关系？这是大多数带电体的共同特性。这一关系可以得出什么结论？

为了解答这些问题，杜菲进行了一系列实验。他首先发现能够带电的不仅限于琥珀之类的物品，任何东西，包括金属都可以带电，于是他纠正了前人将物体分为“电的”和“非电的”

两类的做法。为了证实一切物体都可以带电，杜菲以自己的身躯做实验。他让助手用绳子把自己悬吊在天花板上，然后带上电；当另一个人接近他时，从他身上发出电火花，产生噼噼啪啪的声响。

杜菲最大的贡献是分清有两种电。他把两小块软木包上金箔，用丝线悬挂在天花板下，取一玻璃棒，用丝绸摩擦后，分别接触这两块软木，结果软木互相排斥。他又做了一个实验，取一松香棒，用羊皮摩擦后接触一软木，而用丝绸摩擦后的玻璃棒接触另一软木，结果发现两者互相吸引。他再用其他许多材料继续实验，发现有的相互吸引，有的互相排斥。于是杜菲认定电有两种。他把玻璃产生的电称为“玻璃电”，松香产生的电叫“松香电”。

莱顿瓶的发明使电学研究又上了一个台阶。1745年，德国的克莱斯特（E.G.Kleist）做了一个实验。他用铁钉把电通到窄口药瓶中，瓶中盛水，瓶子与其他物体绝缘。原来他是想把电存在水中。读者也许会觉得他的想法太幼稚，请不要讥笑他，原始的观念往往导致科学的重大发明。克莱斯特试验果然有一定效果，他再用铁钉将瓶内的水和外界接通时，出现了强烈的放电现象。

克莱斯特没有放过这一现象，而是进一步寻找储存电的规律。他发现，瓶口及外表面必须干燥，如果瓶里装的是水银或酒精，效果更好。