第1章 物理大发明(1)

温度计的发明和改进

冷热的观念古已有之，但形成科学概念却经历了漫长的过程。很多科学家都曾为此大伤脑筋。这里的关键在于如何定量表示冷热的程度。

早在我国战国时期，我们的老祖宗就已经根据水结冰来推知气温下降的程度。汉代初年有一种“冰温度计”，按文献记载，“睹瓶中之冰而知天下之寒暑”。意思是说，观察瓶里冰的融化或增厚，就可知气温的变化。

古人也知道利用光的颜色判断温度的高低，“炉火纯青”就是形容炉温达到最高点时火焰从红色变成青色的意思。

最早有意识地依靠热胀冷缩来显示温度高低的是16世纪的几位科学家，其中有著名物理学家伽利略。他发明了第一支温度计，时间大约是1593年。据他的学生描述，有一天，伽利略取一个鸡蛋大小的玻璃泡，玻璃泡接到像麦秸一般粗的玻璃管一端，管长约半米。用手掌将玻璃泡握住，使之受热，然后倒转插入水中，等玻璃泡冷却后，水升高二三十厘米。伽利略用水柱的高度表示冷热程度，测量了不同地点、不同时候、不同季节的相对温度。

伽利略曾经学过医学，显然他是想利用这个温度计来测量人体的体温。但他的温度计有一个重大缺点，就是大气压会对水柱高度产生影响，而且温度计插在水盆里用起来很不方便。

法国化学家雷伊（J.Rey）将伽利略的温度计做了一点改进，他把玻璃泡调头放在下方，从上面灌进一定量的水，于是温度计便可以携带了。但水会蒸发，温度仍然不很可靠。不久，在意大利出现了把酒精或水银密封在玻璃泡中做成的温度计。为了表示温度的高低，在玻璃管上标有刻度，管子太长，就做成螺旋状。可惜，刻度没有统一标准，不适于推广使用。

德国的格里克（O.V.Guericke）在1660～1662年间创制的温度计颇为壮观。该温度计高达20英尺（约6米），由一个中空的大铜球壳及一细长的U形铜管构成，管中灌有一定量的酒精，开口一端的液面上漂移着一铜箔杯，杯子通过绳经滑轮吊着一个小天使，通过小天使的升降来指示气温的高低，刻度上标明“大热”、“大冷”等字样。

通过实践，科学家们逐渐认识到，为了有效地测量温度，必须选取某些温度作为标准点。

惠更斯推荐水的冰点和沸点作为标准，玻意耳认为冰点会随纬度改变，建议用大茴香油的凝固点作为标准。牛顿则选用融雪温度和人体温度作为温标，并将这中间分成12等份。1703年，丹麦学者罗默（Romer）则选用冰、水和食盐的混合温度作为零度，因为这是当时所能达到的最低温度。

德国人华伦海特（D.G.Fahrenheit）从罗默的工作中得到启发，也研究了温度标准。1714年，他用水银代替酒精作为测温物质，于是就有可能利用水的沸点。他做了许多实验研究水的沸腾，认识到水的沸点在大气压一定的条件下是固定的，不同的大气压下，沸点会有所改变。

他把结冰的盐水混合物的温度定为零度，以健康人的体温定为96度，中间的32度正好是冰点，后来又确定水的沸点为212度，这就叫华氏温标，以°F表示。

华伦海特的工作推动了精确温度计的发展，在欧洲大陆，他的温度计使用很普遍。

瑞典天文学家摄尔萨斯（A.Celsius）1742年创制的温度计是在水的冰点和沸点间分为100等份。不过，他为了避免冰点以下出现负温度，定冰点为100度，沸点为0度，和现行的摄氏温标（以℃表示）正好相反。我们现在的摄氏温标是1743年法国人克利斯廷（Christin）首先采用的。从伽利略到摄尔萨斯，大约经过了180年，在这些漫长的岁月里，温度计几经沧桑，逐渐完善。有了温度计，没有温度标准和分度规则也是不行的。而温度标准则有待于物态变化的研究。所以，温度计的发展历经这么长的时间，而一旦建立了完善的测量温度的方法，热学的实验研究也就蓬勃展开了。

望远镜和显微镜的发明

透镜是最简单的光学仪器，借助它的放大作用，人们可以扩大视力。早在公元前424年，古希腊的一部喜剧中有这样的台词：“用透明无瑕的石头点火吧！”透明的石头就是玻璃。一千多年以后，才有人用透镜制成眼镜。有一幅据说是1352年的教堂壁画，画中一位戴眼镜的技师正在刻字，说明眼镜的使用跟印刷技术的发展有关。这大概是有关眼镜的最早记载。

望远镜的发明有点偶然性。第一个望远镜是荷兰的一位眼镜制造师利佩希于1608年做成的。

据说，有一天利佩希无意地将一块双凸透镜和一块双凹透镜组合在一起，对准附近的一座教堂尖顶上的风标，只见风标明显地放大了，距离似乎也近了，使他又惊又喜，后来他还为此申请专利，引起了一场发明权之争。

望远镜的发明虽属偶然，但在荷兰首先发明却不是偶然的，因为当时荷兰的眼镜片制造业比较发达。几百年来，荷兰在研磨玻璃和宝石方面已发展了一套全面的技术，居于领先地位，为望远镜的发明准备了条件。

当时许多人对望远镜的热心纯属好奇。有人视之为玩具；有人视之为生财之道；但是，也有人是从科学的需要出发，认为找到了极有用的观察工具，可以帮助人们扩大眼界。伽利略就是其中的一位。1609年当他得知发明望远镜的消息后，他激动不已，立即亲自动手制作望远镜，然后用来进行天文观测。1610年，伽利略在他的著作《星际信使》一书中写道：“大约10个月以前，消息传到我的耳朵，说有一位荷兰人发明了一种仪器，可以用来使远方物体像近处物体一样清楚。这使我思量我自己如何也来建造这样的仪器。由于有光学定律的指导，我想出了这样的主意，即把两透镜固定在管筒的两头，一个是平凸透镜，一个是平凹透镜，当我把眼睛贴近平凹透镜时，物体就像只有大约实际距离的1／3远，大小为实际的9倍。我历尽艰辛，也不吝惜钱财，终于成功地做出了精良的仪器，使我能看到几乎比肉眼所见大1 000倍的物体，而距离只是原来的1／30。”

伽利略用他自制的望远镜观察月亮，发现月球上有许多山岭和火山口；对准木星，发现木星有卫星；对准太阳，发现了黑子，还从黑子判定太阳也在转动。

伽利略多年用望远镜观察天体，以确凿的证据支持了哥白尼的日心说。可能是由于没有保护措施，长期直接观测太阳，他在晚年时不幸双目失明。

伽利略的望远镜以凹透镜作为目镜，观察到的是正像，但视场较小。开普勒采用凸透镜作目镜，可以得到更大的视场，看到的是倒立的像。后来他加了第三个目镜，又把倒像变为正像，就成了现代天文望远镜的雏形。

惠更斯也对望远镜的改进作出过贡献。他为避免透镜的像差，设计出一种长焦距望远镜——高空望远镜，将物镜和目镜分别安装在支架的高处和低处，省去了通常的镜筒。

牛顿在年轻的时候制作了一种与众不同的反射式望远镜。他认为透镜成像是基于折射原理，不可避免会由于色差和其他原因产生像差。如果利用凹面镜的反射和聚焦作用，有可能做出更为理想的望远镜，不但可以避免像差，而且还可以大大缩短镜筒长度。

牛顿亲自动手研磨反射镜，第一台长仅15厘米，口径为2.5厘米，可用来观察木星的卫星及金星的周相。后来又制作了一台较大的反射式望远镜，送给皇家学会，该望远镜现仍保存在博物馆中。

显微镜和望远镜一样，最早也是荷兰的眼镜制造者发明的，用的也是一凸一凹的透镜，镜筒长约45厘米，直径约5厘米。这种结构和望远镜基本相同。伽利略就曾用他的望远镜看过微小物体，并形容说：“我看到的苍蝇就像羊羔那样大。”

胡克对显微镜的推广使用起了特殊的作用。1665年他的著作《显微术》出版，这是最早论述显微镜的专著，书中详细介绍了显微镜的使用方法，并附有胡克亲笔画的显微镜插图和许多用显微镜观察微小物体所得的图像。胡克多才多艺，早年曾在伦敦一位肖像画家那里当过学徒，后在牛津大学学习物理。英国皇家学会成立后，他被选为秘书和实验组长。皇家学会很重视显微镜的应用，鼓励胡克从事这项研究，并要求他每次例会至少要带来一张显微镜观测图。胡克还用显微镜观察软体结构、发现了细胞组织，成为用显微镜研究生物学的先驱者。

气压计的发明

真空一般是指气压很低的空间。人们为了研究大气压强，做了很多实验。著名的托里拆利实验就是其中的一个。根据这个实验，托里拆利（E.Torricelli）发现了真空，从而破除了前人一直认为“自然界厌恶真空”的传统说法。

其实，自然界并不厌恶真空，古代科学家之所以主张“自然界厌恶真空”，是因为在当时的条件下真空是一种无法实现的境界。他们用这一理由解释抽水机的作用。到了伽利略时代，这种观念开始遭到怀疑。伽利略根据深井抽水，高不过10米的实际经验作出判断，认为这种“厌恶”是有限度的。他做了一个实验，希望测出抽水机中真空的力。他的装置是一个金属圆筒，内有一木质活塞，活塞中间开有一小口，一铁丝穿过。先将活塞压到圆筒底部附近，然后翻过来。铁丝的上端有一圆锥形头，注入少量的水正好把小口封住，这时在铁丝的另一端的挂钩上吊一只桶，桶里加有沙子或其他重物，直到活塞脱离圆筒为止。称出活塞、沙桶和铁丝的重量就可以得到真空的力，也就是自然界对真空的阻力。

伽利略解释说，抽水机不能把水抽过10米高，就是因为自然界对真空的阻力是有限的。伽利略虽然没有摆脱自然界厌恶真空的传统观念，但是他认识到有可能获得真空，这为后人的研究开辟了道路。

17世纪40年代意大利有一位物理学家叫伯蒂（G.Berti），从伽利略的书中得知抽水机不能把水抽过10米高的事情，他表示怀疑，就专门设计了一套规模庞大的装置。他在楼前架起了一根竖直长管，底端沉入水中，用活塞塞紧，然后在管中灌满了水，上端密封好。打开活塞，水柱下落，这时伯蒂证实，水柱确实只能维持10米的高度。他还在水管的顶端安放了一只铃铛和一把小锤，水柱落下，铃铛和小锤处于真空之中，应该听不到铃声，可是，也许是金属手柄传导的缘故，伯蒂这一实验不很成功，铃声还是传出来了。

伯蒂的真空实验又激起了其他人的兴趣，其中一位就是托里拆利。实验使他想到用比水重的液体代替水，有可能缩短管道的长度。托里拆利是伽利略的学生，伽利略去世前夕，嘱托托里拆利继续研究真空问题。

托里拆利先是用海水，后来改用蜂蜜，最后找到汞（水银），因为就在他所在的意大利中部地区，有一座汞矿。汞比水重13.6倍，因此就可以用短十几倍的管子代替10米长的抽水机唧筒。当时还没有一个地方能生产承受得住像1米高汞柱那样重的长玻璃管，托里拆利就请伽利略的一位年轻学生维维安尼做这样的玻璃管，并和他一起做了实验。将长1米的玻璃管，一头封死，从另一头灌入汞，直到管端，然后用手指捂住管口，再倒置于汞槽中，观察撤去手指后汞面的高度。托里拆利在1644年向友人写信报道了这个实验，并且指出，不论玻璃管的形状如何，汞柱的高度总是76厘米左右。他的实验设计得很巧妙，很有说服力。

托里拆利画了一幅装置图。A、B两根玻璃管，高度相同，形状各异，A管上端是一玻璃泡E，显然AE的体积比B大得多，如果汞柱上升原因是由于“自然界对真空的阻力”，越是稀薄的物质对汞柱的吸力应越大，所以A管的汞柱应升得更高，然而事实上两支管子达到的高度相同，与容器中剩余物质的稀密无关，可见作用不是来自管子内部。

为了证明汞柱上方的容器是完全空的，托里拆利在汞槽里加进纯水，然后慢慢提高玻璃管，他们看到，当管子的开口达到水的那部分时，汞从管中涌出，水却急速地通过玻璃管上升，充满整个空虚部分。可见，使汞不掉下的原因，不在于内部，而在于外部。作用于汞柱的力，不是由于真空，而是由于高达80千米的空气的重量而产生的。他写道：“汞既无偏爱，也无厌恶，它进入容器并且在管柱中升高到足以与压它向上的外部空气的重量相平衡，这有什么好奇怪的呢？”然后，托里拆利说如果用水代替汞做同样的实验，水柱将会升到10米高，才能平衡大气的重量施加于它的力。就这样，托里拆利对抽水机抽水为什么不能高过10米，做出了正确的解释。托里拆利通过上述实验发明了测量大气压的气压计。

不久，托里拆利的实验传到了法国。法国的帕斯卡（B.Pascal）为了检验托里拆利的结论，在巴黎也做起了同样的实验。他认为要对汞柱升高的原因是大气压的说法作出判断，最好的办法是测出高处和地面上气压计汞柱高度的差别。但是当时市内建筑不足以得到明显结果，于是他想到在山顶上做实验。帕斯卡是一位半残人，无法爬山，他就求助于其内弟佩利尔（F.Perier）。佩利尔将气压计带到多姆山顶上，他果然发现，在山顶上管中汞柱高度比山下低3英寸（约0.076米）多。

佩利尔在返回的路上又做了分段观测，证明汞柱升高与高度的降低成正比。当他回到出发地时，得知留在山下的另一支气压计在他离开的一段时间内汞柱高度并没有变化。

这个实验结果使帕斯卡坚定了大气压存在的信念。他明确表示，空气的重量和压力是造成汞柱悬挂的惟一原因。因为在山下比山上有更多的空气压下来，“自然界并不厌恶真空”。

帕斯卡对气压计还做了其他研究，例如，他研究了汞柱高度和气候的关系，从此，气压计得到了广泛的应用。

帕斯卡是法国一位很有才华的数学家和物理学家。他自幼体弱多病，但却是一个神童，12岁就开始对数学发生了兴趣，16岁随父亲参加巴黎的学术活动，17岁提出了投影几何学中的一个著名定理，20岁发明了第一台机械计算机。

1651～1654年间，帕斯卡研究了液体静力学，提出著名的帕斯卡定律。帕斯卡于1662年去世，年仅39岁。为了纪念帕斯卡的功绩，物理量压强的单位就以他的名字命名。

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