空氣的重量

你是否用過“輕如空氣”這個短語？如果用過，你可能在描述的過程中忽略了空氣的重量。是的，空氣是有重量的。這個重量表現為氣體壓強，也就是氣壓。下一個問題很明顯：什么是壓強？

每一天，壓強都以重要或不重要的方式出現在你的生活中。你的菜刀鋒利嗎？你坐的椅子有多舒服？為什么你的高跟鞋比平底鞋更痛？簡單來說，壓強就是力（你的刀子、你坐在椅子上的屁股、你的整個身體等任何物體的重量）除以施加力的面積（刀刃的邊緣、椅墊在你屁股上的輪廓、你可憐的腳趾）。換句話說，面積越小，給定力所產生的壓強就越大。

那么，如果你必須穿越結冰的湖面，該如何做呢？將這一原則付諸行動。腳很小的人比體重相同但穿雪鞋的人更容易踩破薄薄的冰層，穿著雪鞋可以將體重分散到更大的面積上，對冰面減輕壓強。還在擔心嗎？你最好的辦法就是躺下，然后一英寸[4]一英寸地爬過去，將你的重量分散到整個身體的面積上。

如果空氣的重量會產生氣壓，這就意味著空氣會產生可測量的力。想象一下，你在海平面上，比如當地的海灘上，帶著一個一英寸見方的空玻璃柱，將它的一端放在地面上，讓上端像杰克的豆莖一樣神奇地筆直向上生長，直到到達地球大氣層的外部極限。現在，你以切割餅干的方式，已經切出一根長長的氣柱。如果你把這根柱子里的所有空氣放到天平上，它的重量將接近15磅[5]。這15磅的重量每天壓在你身體的每平方英寸上。但是如果有人把15磅的重物放滿你身體的每平方英寸，你就無法挺胸呼吸了。這到底是怎么回事？人類如何在如此巨大的壓力下生存？

流體中的壓力表現在各個方向，而不僅僅是向下。空氣被歸類為流體，這看似很奇怪。根據定義，流體按照容器的形狀塑形，氣體和液體顯然都是如此。因此，向下壓迫你身體的空氣也必須像其他流體一樣，在各個方向上表現出來。向下的壓力與向上、向側面和向四周各個方向的壓力是一樣的。所有這些力都被抵消了，而且假設你的肺里有空氣，你根本感覺不到空氣的重量。

如果以某種方式消除平衡力呢？使用過吸盤的人都做過這樣的實驗。當你把吸盤貼緊堅硬、光滑、平坦的表面時，你會發現很難把它拔起來。事實上，這正是吸盤的作用。吸盤越大，就越難把它從表面拔起來，即使沒有膠水或其他黏性物質將其粘在上面。

為什么？因為吸力不是力，而是大氣壓力對真空的反應。現在，每平方英寸15磅的氣壓將橡膠吸盤推向其固定的表面，形成真空，并消除其背后的任何平衡力。因此，如果你的吸盤面積是10平方英寸，那么你要面對的大氣壓力就是10根柱子的空氣。10乘以15磅意味著你現在必須施加150磅的力，也就是大概一個成年人的體重，才能松開吸盤。

氣壓在各個方向的作用相同，所以你的吸盤在任何方向都能發揮作用。在許多搶劫題材的電影中，鬼鬼祟祟的竊賊會使用吸盤鞋和手套攀爬墻壁與天花板，以躲避偵查或避免觸發激光警報器。理想情況下，一些附加裝置會將空氣泵入或排出吸盤鞋，這樣主人公就不用每走一步都要承受150磅的壓力。

但是，流體的作用不僅僅是形成容器的形狀。它們的另一個顯著特性是其中的浮力。傳說，公元前250年左右，古希臘數學家、敘拉古的阿基米德在古希臘的一個公共浴室度過愉快的時光時發現了浮力，并驚呼：“尤里卡！（我找到了！）”

根據這個古老的傳說，敘拉古僭主雇用了一位金匠，讓他用事先稱好的一塊金子制作一頂王冠。金匠答應了，并很快完成了任務。僭主既多疑又貪婪，他想確定金匠是否偷了一些金子，換上了價值更低的銀子。于是，他求助于以數學成就聞名的阿基米德，請他設計一個策略，以確定王冠的真偽和金匠的誠信。有什么地方比在浴室里更適合思考這個問題呢？當阿基米德把身體浸入盛滿水的浴盆里時，他注意到浴盆里的水溢出來了，這時他意識到溢出來的水的體積與他浸入水中的身體部分的體積相等。

阿基米德知道黃金原來的重量，現在又知道了如何測量不規則形狀物體的體積，因此他可以通過比較密度來確定真偽。密度是物體的質量（在阿基米德的例子中是重量）除以體積（或大小）。阿基米德得到了一塊純銀和一塊純金，每塊的質量（或重量）都與王冠的相同。然后，他將金塊浸入裝滿水的碗中，測量金塊流出的水量。然后，他用銀塊重復這個實驗，并比較了兩次測量結果。由于銀的密度小于金，銀塊比相同質量的金塊更大，流出的水也更多。為了完成實驗，阿基米德最后把僭主的王冠放進了同一個裝滿水的碗里。如果王冠是由純金制成的，它流出的水量就會與未成型的純金塊相同。但事實并非如此：它流出了更多的水。因此，阿基米德用他巧妙的新方法證明金匠確實欺騙了僭主——故事就是這么說的。

這種方法適用于任何流體中的任何物體。（萬一你要驗證一頂金王冠的真偽，知道這一點很有好處。）不過，這里面還有更多玄機。阿基米德在他的著作《論浮體》中寫道，任何完全或部分浸入流體中的物體都會受到一個向上的力，這個力等于流體的重量，這就是浮力的原因。如果任何物體的重量小于它所排開液體的總重量，它就會浮起來。

對浮力的利用徹底改變了全球工業、政治和社會。例如，一塊鋼容易下沉，而一塊木頭容易漂浮，我們憑直覺就知道這一點。然而，自19世紀中葉以來，木制戰艦已升級為鋼鐵戰艦，滿載武器裝備和水手大軍。以前很容易被炮火擊沉的戰艦，現在變得足以抵擋攻擊。一個世紀后，海上航行不再險象環生，而是成為一種吸引人的休閑方式。每年都有數百萬人興高采烈地登上用鋼材焊接而成的數千英尺長的游輪。這些巨大的船只之所以能漂浮起來，是因為包括中空內艙的所有空氣和其他設施在內的總重量小于它們所排開的水的重量。

船上的人呢？就其本身而言，我們的肌肉和骨骼會下沉，而脂肪會漂浮。但是，成年人體內約有60%的H2O（嬰兒體內約有80%）。因此，一個健美運動員被扔到海里會更容易沉下去，普通人則更容易浮起來。

人體的整體密度與水相似，所以你排開的水的重量與你的體重差不多，這使得你在水中幾乎沒有重量。你不會像泡沫塑料或軟木一樣高高晃動，也不會像石頭一樣沉下去。但在死海，它的鹽度幾乎是普通海水的10倍，人都會浮在水面，即使是擁有六塊腹肌的健身教練也不例外。鹽形成的介質密度比普通海水高得多，因此作用在身體上的浮力也大得多。

阿基米德原理適用于任何流體，因此浮力在海洋和空氣中都起作用。讓我們回到你在大氣中切出的一平方英寸見方的柱子。在柱子底部有15磅的壓力。然而隨著你的上升，壓在你身上的空氣越來越少。因此，氣壓會下降。

1644年，埃萬杰利斯塔·托里拆利提出了一個革命性的主張：“我們生活在空氣海洋的底部，通過不容置疑的實驗，我們知道空氣是有重量的。”他重新做了一個連偉大的伽利略都感到困惑的實驗。如果在一根30英尺長的管子里裝滿水，然后將管子倒置于裝有更多水的盆子里，管子里的水只有一小部分會流到盆子里，管子頂端則會出現一段真空。伽利略認為，管子頂部的真空以某種方式牽引著水，使其無法完全排入盆中，但他未能證明自己的假設。

對此，托里拆利推論說，管子頂部的空隙確實是真空的，但它的真空狀態與發生的情況無關。相反，他斷言，周圍和上方的空氣正在向下擠壓盆中裸露的水面。反過來，盆里的水又對管子中的水施加向上的壓力，使其無法完全排空。托里拆利最終用水銀代替水完善了同樣的實驗。水銀的密度幾乎是水的14倍，因此可以使用更小的管子和水盆來操作。

盆中水銀池的大氣壓力越高，水銀就會沿著管子往上爬得越高。大氣壓越低，從管子中溢出到盆中的水銀就越多。用英寸來標記管子的高度，以量化所發生的情況，這就是世界上第一個水銀氣壓計。（所以，下次當你聽到氣象人員用“毫米汞柱”來表示氣壓時，你就會知道他們在說什么了。這是托里拆利的功勞。）

試想一下，伽利略可能會對一個簡單的吸管演示感到多么困惑。你把吸管浸入飲料并用手指蓋住吸管頂端，當你抽出吸管時，大部分液體仍留在吸管內。這并不是因為你的手指和吸管內的液體之間存在某種神秘的真空，而是因為吸管外的所有氣壓都從下往上推。你的手指切斷了來自上方的壓力，這種壓力原本是平衡對液體的作用的。

在托里拆利發現大氣壓力后不久，一位名叫布萊茲·帕斯卡的法國數學家被這種空氣壓在盆上的假設所吸引，他提出，如果空氣壓在盆上，那么空氣較少的地方，如山頂，壓下的空氣會減少，從而使更多的水銀從管子中溢出，進入盆中。他說服家人把一個巨大的水銀氣壓計搬到附近最高的山峰多姆山的山頂，一路上測量。令他高興的是，隨著他的攀登，越來越多的水銀流入盆中，這表明大氣壓力隨著海拔的升高而下降。

由于發現空氣具有可測量的重量，而且重量會隨著高度的增加而減少，地球人很快就摸索出了新的辦法讓我們在天空翱翔，就像伊卡洛斯在臨死前所做的那樣。