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大氣之海,水銀真空 │ 科學史上的今天:06/11

1641 年 10 月初,托里切利(Evangelista Torricelli, 1608-1647)終於來到伽利略位於佛羅倫斯的住處。雖然已略有耳聞,但當他親眼見到這位傳奇人物如此老態龍鍾又雙眼失明,內心還是激動不已,甚至愧疚之感油然而生……。

九年前他在羅馬受教於卡斯特利(Benedetto Castelli),並擔任他的秘書。卡斯特利曾是伽利略的學生,因此當托里切利拜讀了伽利略剛出版的《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》,驚為天人後,特地藉由卡斯特利的關係寫了封信給伽利略,表達敬慕之意,並表示自己也是「日心說」的支持者。不料第二年伽利略就受到教廷審判,必須軟禁在家;托里切利有如驚弓之鳥,從此放棄天文學的研究,專心研究數學。當然也沒再與伽利略聯絡。

直到 1641 年 4 月,卡斯特利將托里切利剛完成的拋物線運動論文拿給伽利略看,伽利略大為讚賞,主動邀請托里切利來當他的助手。應該是受寵若驚,也可能是彌補心理,托里切利欣然接受,無奈恰逢母喪而耽擱行程,與伽利略晤面已是半年之後。

而此時伽利略已是風中殘燭。托里切利將其所述記錄整理成筆記,三個月後伽利略即撒手人寰,托里切利成了伽利略的最後門生。

托斯卡尼大公裴迪南二世讓托里切利接任伽利略在比薩大學的教職與宮廷數學家一職。這段期間他最大的成就在於 1643 年完成伽利略生前未能解決的一個問題:為什麼抽水幫浦怎樣都沒辦法把水打到十米以上的高度?

托里切利懷疑是因為空氣本身有重量,但要用抽水幫浦做實驗也太大費周章,於是他用密度是水的 13.5 倍的水銀取代水,如此就可以大幅降低水柱高度。他將水銀裝滿一米長的細長玻璃管中,用拇指封住管口,倒立垂直置於水銀槽中。放開拇指後,水銀柱即下降停留在 76 公分高的位置,屢試不爽。托里切利主張維持水銀柱不墜的,正是空氣重量施加於水銀槽面的壓力,也就是大氣壓力。

托里切利還發現水銀柱在陰雨天時,高度變得比較低,因此是低氣壓;而豔陽高照或空氣乾燥時就高一點,稱為高氣壓。托里切利等於發明了水銀氣壓計,後來帕斯卡就上山下海,用以測量不同高度的大氣壓力。

除了大氣壓力這個革命性的觀念,托里切利的實驗還首度讓世人見識了真空的存在;如今水銀柱上方那段真空就叫「托里切利真空」。1644 年 6 月 11 日,托里切利給朋友的信中寫下這個著名的句子,充分表達了赫然發現違反直覺經驗的科學真理時,那種令人震懾的體悟:

「我們生活在大氣之海的底部。」

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。