1648

研究人員：

布萊茲·帕斯卡

研究領域：

氣象學

結論：

氣壓會隨著海拔的升高而降低

山頂上的空氣更稀薄嗎？

大氣壓力

布萊茲·帕斯卡出生在法國克萊蒙費朗，小時候的帕斯卡就是赫赫有名的神童，長大以后，他成了一名數學家和物理學家。帕斯卡發明過一種計算器，與此同時，他也是純數和數學概率領域的先驅。除此以外，帕斯卡對伽利略和托里拆利的工作很感興趣，沿著前人開拓的道路，他最終發現了氣壓升降的奧秘。

伽利略和托里拆利

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1642年，伽利略在去世前不久聽到托斯卡納大公手下的水泵制造商說起，他們的泵最多只能把水抽到大約30英尺（約9米）的高度。伽利略對這個問題頗有興趣，去世之前，他還跟隨侍在身邊的學生埃萬杰利斯塔·托里拆利談起過這件事。

托里拆利決定利用水銀來研究這個問題。因為水銀的密度是水的14倍，所以要獲得同樣的效果，只需要一根不到3英尺（1米）高的水銀柱。

托里拆利制造了一根長約3英尺（1米）的玻璃管，他封住管子的一頭，在里面灌滿水銀。然后，他用手指堵住玻璃管的開口，將它倒放在一個裝滿水銀的碗里。結果發現，玻璃管里的水銀下降到了碗內液面上方大約29英寸（約74厘米）的位置。

玻璃管內水銀液面上方的空間是什么？人們為此展開了激烈的爭辯。托里拆利認為，那就是真空，但相信他的人寥寥無幾，因為按照亞里士多德的說法，“自然界厭惡真空”，所以真空完全就不可能存在。

托里拆利也許還注意到，玻璃管內的水銀液面會隨著天氣的變化上升或下降；沿著這條路走下去，接下來他就會發明氣壓計。遺憾的是，1647年托里拆利就去世了，所以他沒有機會繼續探究這個問題。

帕斯卡的實驗

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布萊茲·帕斯卡對托里拆利的工作很感興趣，他把水銀換成其他各種液體做了一系列實驗，最終都得到了相似的結果。帕斯卡很想知道，是什么力量讓玻璃管內的液體始終維持在一定的高度，會是大氣的重量嗎？如果真是這樣，山頂上的大氣壓力應該比平地上小，因為那里的空氣更加稀薄。于是帕斯卡大膽地推測，要是把同樣的設備搬到山頂上，那么玻璃管內的液面應該會下降。

帕斯卡費了一番唇舌，終于說服了連襟弗羅林·佩里埃來幫他做這個實驗。佩里埃住在法國中部的克萊蒙費朗，附近有一座3900英尺（約1189米）高的死火山——多姆山。1648年9月19日早上8點，佩里埃從山腳下的修道院出發前往山頂。動身之前，他測量了玻璃管里水銀柱的高度：“我發現玻璃管內的水銀柱比下方容器里的液面高26英寸3.5線（1英寸＝12線≈2.5厘米）。”

在幾位助手的幫助下，佩里埃帶著4英尺（約1.2米）長的玻璃管和16磅（約7千克）水銀爬上了山頂，在這里，他發現水銀柱的高度下降到了23英寸2線，“我小心翼翼地重復讀了五次數據……每次在山頂上選取的位置各不相同……但無論在哪里……水銀柱的高度始終保持一致”。換句話說，山頂上的氣壓的確比山腳下更低。

帕斯卡原理

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于是帕斯卡的理論得到了有力的驗證，支撐玻璃管內水銀柱或水柱的力量的確來自大氣的重量。事實上，現在我們知道，海平面上的氣壓大約是15磅每平方英寸（psi），或者說100千帕（kPa）出頭。1帕等于1牛頓每平方米。

100千帕氣壓等于0.1牛頓壓力每平方厘米（N/cm2）；這意味著你的每個腳指甲都承受著大約0.1牛頓的壓力。幸運的是，指甲下面還有彈性十足的血肉，足以抵抗強大的氣壓。

帕斯卡還證明了液柱底部的壓強與它的高度成正比。按照他的理論，在裝滿水的木桶上方垂直放置一根33英尺（約10米）長的細管，然后從細管頂部向管內注水，木桶很快就會被壓裂。

帕斯卡指出，密閉容器內部各處的壓強始終相等，今天我們稱之為“帕斯卡原理”。注射器和液壓系統都是根據帕斯卡原理發明出來的。