第4章 爆米花和火箭——气体定律
玉米粒的微型高压锅
厨房里发生爆炸通常不是什么好事，不过有时候小小的爆炸能帮你烹制美食。干玉米粒含有多种营养成分（碳水化合物、蛋白质、铁和钾），但它们都被坚韧的外壳紧紧包裹在致密的种粒里。要得到这些营养成分，把玉米粒变成能吃的东西，你就得想点极端的法子，比如爆炸。幸运的是，玉米粒本身的特性决定了它很容易爆炸。昨天晚上我做了点爆米花。坚固强韧的外表下隐藏着柔软的内心，这样的发现总是令人欣喜。不过，玉米粒为什么会变成蓬松的爆米花，而没有直接把自己炸得粉身碎骨呢？
油烧热以后，我往平底锅里放了一把玉米粒，然后盖上锅盖，转身去烧水泡茶。屋外风暴肆虐，硕大的雨滴毫不留情地敲打着窗户。油里的玉米粒发出轻微的噼啪声，似乎一切平静，但事实上，平底锅里的好戏已经开场。每一粒玉米内部都有一个胚芽，它可以长成一棵新的植物，而胚乳则为新植物提供生长所需的养分。胚乳主要由淀粉颗粒组成，它的含水量大约是14%。玉米粒放进热油以后，胚乳内部的水开始蒸发变成气体。温度高的分子运动速度更快，所以玉米粒受热的时候，越来越多的水分子以蒸汽的形式在它内部左冲右突。从演化的角度来说，玉米粒种皮的主要作用是抵御外力侵袭，可是现在，它却不得不承受来自内部的暴乱。在这种情况下，种皮变成了一口迷你高压锅。变成蒸汽的水分子无处可去，所以种皮内部的气压越来越大。气体分子不断碰撞彼此和种皮，随着气体分子的数量和运动速度不断攀升，种皮承受的撞击力也越来越大。
高压锅用滚烫的蒸汽高效地烹制食物，玉米粒内部的小小高压锅也一样。就在我寻找茶包的时候，胚乳里的淀粉颗粒被烹制成了某种黏糊糊的加压凝胶，而且玉米粒内部的气压还在继续增大。种皮能够承受的压强是有限的，玉米粒内部温度上升到180℃时，内部气压差不多达到了标准大气压的10倍，凝胶看到了胜利的曙光。
我轻轻晃了晃平底锅，听到锅里传出第一声爆裂的闷响。几秒钟后，噼啪声就密集得像机枪开火一样了，跳动的爆米花顶得锅盖不断颤动。每一声爆响都让锅盖边缘冒出一缕蒸汽。我倒了杯茶，就在这短短几秒内，平底锅里的爆裂声变得更加激烈，锅边冒出的蒸汽此起彼伏，接连不断。
爆炸发生的瞬间，游戏规则变了。在此之前，困在种皮内部的水蒸气是出不来的，随着温度不断升高，蒸汽使种皮内部的气压不断增大。坚韧的种皮破裂的瞬间，种皮内部的物质立即暴露在外部环境的压强（标准大气压）下，这些物质的体积也不再受限。淀粉凝胶内部灼热的分子仍在左冲右突，但外面却再也没有什么东西束缚它。于是凝胶开始爆炸性膨胀，直至其内部和外部气压相等。致密的白色凝胶变成了蓬松的白色泡沫，整个玉米粒向外翻了过来，然后逐渐冷却固化。整个转化过程就此结束。
把爆米花倒出来以后，你总会发现几个没爆开的“伤兵”，焦黑的玉米粒悲伤地躺在锅底。如果种皮破损，高温蒸汽会直接逃逸，玉米粒内部无法积聚气压，自然就不会爆开。正因如此，玉米可以用来做爆米花，其他谷物却不行，因为它们的种皮上有细小的孔洞。如果玉米粒太干——比如收获的时机不对——导致种皮内部的水分不足以在蒸发后产生足够的压强，它也不会爆开。少了剧烈的爆炸，原来不能吃的玉米粒到最后还是不能吃。
我端着茶和这碗烹制完美的爆米花走到窗边遥望外面的风暴。破坏有时候也不是坏事。
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简单就是美，化繁为简的美更令人动容。在我看来，描述气体行为的定律就像视错觉的游戏，你以为自己看到了某样东西，可要是眨眨眼再看，它又会变成另一种截然不同的东西。
我们生活的世界由原子组成。这些微小的物质粒子拥有相似的结构：外层带负电的电子陪伴着内部带正电的沉重原子核，但不同的原子之间仍有区别。化学的故事讲的是电子如何按照量子世界的严密规则，让多个原子共担责任、改变阵形，以及支撑被俘获的原子核组成更大的模式：分子。
就在我敲下这些字时，在我呼吸的空气中，成对的氧原子（每对氧原子都是一个氧分子）正在以1500千米/小时的速度不断撞击以320千米/小时的速度运动的氮原子，也许还会撞上速度为1600千米/小时的水分子。不同的原子和分子在以不同的速度运动，这里的混乱与复杂超乎想象。每立方厘米空气中大约有30000000000000000000（3×1019）个分子，每个分子每秒大约会发生10亿次碰撞。面对这么复杂的问题，你可能会觉得最明智的做法是直接放弃，转而研究脑科手术、经济理论，或者干脆黑掉一台超级计算机——干什么不比这个简单呢？
那些研究气体运动的先驱当年根本不知道自己面对的到底是什么，不然他们可能根本没有勇气探索下去。无知也有无知的好处。19世纪初，人们还认为原子的概念不科学；直到1905年，人们才找到了原子存在的确切证据。而在1662年，罗伯特·波义耳（Robert Boyle）[4]和他的助手罗伯特·胡克（Robert Hooke）[5]只有玻璃器皿、水银、密闭容器里的空气和恰到好处的无知。他们发现，如果增大压强，容器内空气的体积会随之缩小。这就是波义耳定律：气体压强与体积成反比。一个世纪后，雅克·查理（Jacques Charles）[6]发现，气体的体积与温度成正比。温度升高至原来的2倍，气体体积也会膨胀至原来的2倍。这简直不可思议。复杂的原子运动怎么会遵循这么简洁明了的规律呢？
抹香鲸和福卡恰面包
抹香鲸深吸一口气，轻轻一甩壮硕的尾巴，重新潜入海面以下。现在，它的体内储备了接下来45分钟内生存所需的一切，狩猎开始了。这次的猎物是一条巨型鱿鱼。鱿鱼身体柔韧，触须上长着可怕的吸盘，坚硬的喙看起来颇有几分骇人。要找到猎物，抹香鲸必须潜入大海深处阳光无法到达的黑暗世界。它下潜的深度通常是500～1000米，最深可达2千米。黑暗的深海中，抹香鲸靠高定向声呐探测猎物的踪迹，等待猎物靠近带来的微弱回声。巨型鱿鱼仍在毫无防备地游弋，因为它听不见任何声音。
在深海中，抹香鲸最珍贵的储备就是氧气，氧气所驱动的化学反应为运动的肌肉提供了能量，抹香鲸要借此维持生命。不过，从大气中摄取的气态氧到了深海中会成为一种负担。事实上，从抹香鲸潜入水中的那一刻开始，肺里的空气就成了麻烦。每下潜1米，它承受的外部水压就多一分。氮分子和氧分子不断碰撞彼此，也碰撞着肺壁，每次碰撞都会产生一个极小的推力。在水面上，抹香鲸身体内外的推力是平衡的，但随着它不断下潜，身体承受的水压越来越大，由外向内的推力超过了由内向外的推力，于是肺壁依靠向内塌陷让内外压力重新平衡。抹香鲸的肺逐渐缩小，每个分子拥有的空间也遭到挤压，因此碰撞变得更加频繁，这意味着单位面积的肺壁将承受更多碰撞，肺内压强也随之增大，直至与外界压强相等。水下10米深处的水压相当于标准大气压的2倍。在这个深度，尽管抹香鲸还能轻松看到水面上的东西（只要它愿意去看），它的肺仍会缩小到原来的1/2。这意味着分子碰撞肺壁的次数增加了1倍。但是，鱿鱼的位置可能在水下1千米，在这个深度，抹香鲸的肺会缩小至它在水面时的1/100。
这头抹香鲸终于听到了回声，现在它必须带着缩小的肺，依靠声呐的指引在无垠的黑暗中迎接战斗。巨型鱿鱼有自己的武器，抹香鲸就算最终获胜，也可能身负重伤。要是没有肺里的氧气，它根本无法获得战斗所需的能量。
肺部缩小会带来什么问题呢？如果肺的体积变成了它在水面时的1/100，那么肺内气体的压强就会增加到标准大气压的100倍。血液中的氧气和二氧化碳在小巧的肺泡里完成交换，如果压强过大，多余的氧和氮就会在这个过程中溶解到抹香鲸的血液里。这些多余的气体可能造成严重的后果，潜水者称之为“减压病”。在抹香鲸返回水面的过程中，多余的氮气会在血液里形成气泡，破坏机体。从演化的角度来说，抹香鲸唯一的对策是从离开海面那一刻起彻底关闭肺泡。好在它可以通过血液和肌肉中额外储备的氧气获得足够的能量。抹香鲸体内的血红蛋白浓度是人类的2倍，肌红蛋白（肌肉中储存能量的蛋白质）浓度则是人类的10倍。抹香鲸会在海面上填满这个巨大的储备库。抹香鲸深潜时绝不会动用肺里的空气，这实在太危险了。不过在水面以下，它能够利用的不仅仅是吸入的最后一口气，肌肉中储备的额外补给也会支持它的生存和战斗。
谁也没见过抹香鲸大战巨型鱿鱼。但人们在抹香鲸尸体的胃里发现过鱿鱼的喙，这是鱿鱼身上唯一不能被消化的部分。可以说，每一头抹香鲸的胃都记录着它获得胜利的次数。得胜归来的抹香鲸游向阳光，它的肺慢慢膨胀，恢复血氧供应。随着外部压强不断减小，肺的体积也会逐步回到原来的大小。
奇怪的是，在实践中，复杂的分子运动经过复杂的统计学处理后，竟能得出较为明确的结果。的确有无数分子以不同的速度碰撞了无数次，但重要的参数其实只有两个：分子运动的速度范围，以及分子碰撞容器壁的平均次数。碰撞次数和每次碰撞的强度（取决于分子的速度和质量）决定了气体压强。内部和外部气体压强的比例决定了气体体积。不过，温度带来的影响又有一点不同。
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“一般来说，谁最在乎这个呢？”我们的老师亚当身穿白色束腰上衣，发福的肚子圆滚滚的，非常符合人们心目中烘焙师的形象，浓重的伦敦口音为他锦上添花。他对着一坨奇形怪状的生面团戳了戳。面团立刻吸住了老师的手指，就像一个活物——当然，面团里的确有生命。“要做出好面包，”亚当指着面团宣布，“我们需要空气。”此时此刻，我正在烘焙学校里学习制作意大利传统面包福卡恰。10岁以后我就没系过围裙，因为我已经很熟悉厨房了。然而，烤过很多面包的我，却从没见过这么奇怪的面团，真是大开眼界。
在亚当的指导下，我们开始乖乖揉面。首先将新鲜酵母和水混合起来，然后加入面粉和盐，用力揉搓出筋，谷蛋白是面包塑形的关键。在我们揉面的时候，活酵母忙着发酵糖，并且制作二氧化碳（CO₂）。和我揉过的所有面团一样，福卡恰面团里其实没有外面的空气，只有许许多多的二氧化碳气泡。延展性良好的黏性面团是绝佳的生物反应堆，酵母制造的产品困在面团内部，于是面团开始“长高”。
第一阶段的发酵结束后，面团被放进橄榄油里好好洗了个澡，然后继续长高。与此同时，我们开始清洗自己的双手、操作台，还有多得惊人的各种器具。酵母的每一次发酵反应都会释放出两个二氧化碳分子，这种惰性小分子由两个氧原子和一个碳原子组成，在室温下呈气态。大量二氧化碳分子聚集形成气泡，然后它们就在这个小小的密闭空间里玩起了碰碰车。分子的每一次碰撞都可能交换能量，就像母球击中斯诺克球一样。有时候，一个分子会减速到近乎静止，另一个分子携带所有能量呼啸而去。有时候，两个分子会分享能量。每一次与富含谷蛋白的气泡壁发生碰撞时，分子都会产生一个推力，所以在这个阶段，面团里的气泡会逐渐变大。气泡内积累的分子越来越多，向外的推力也越来越强。气泡不断膨胀，直至内外气压平衡。碰撞气泡壁的二氧化碳分子有的活跃，有的迟缓。和物理学家一样，烘焙师也不在乎每个分子的具体速度，因为关键在于统计学数据所呈现的整体情况。在室温和标准大气压下，有29%的二氧化碳分子运动速度为350～500米/秒，拥有这个速度的分子具体是哪些并不重要。
亚当拍了拍手，示意我们看向他。他像魔术师一样揭开面团上的盖布，并且演示了一种我从没见过的操作。亚当把浸过油的面团拉长再叠回来，每侧各折叠一次，这是为了将外面的空气锁在皱褶之中。我不由得在脑子里大喊：这是作弊！我一直以为，面包里的气体应该是酵母释放的二氧化碳才对。我曾在日本见过一位折纸大师愤怒地批评自己的学生，说他不该用透明胶带来粘补折好的角马。在这堂烘焙课上，我感受到了同样的无名怒火。可是，既然你需要气体，弄些空气来又有什么错呢？反正等面包烤好以后，谁也不会知道它里面的气体到底来自哪里。最后，我决定服从专家的指导，老老实实叠面团。几小时后，就在我已经被发酵、折叠、浸泡橄榄油的重复流程折磨得近乎绝望的时候，充满气泡的福卡恰面团终于能进烤炉了。两种气体都将大显身手。
烤炉里的热能开始渗入面包。炉子里的气压和外面一样，但面包内部的温度却从20℃剧增到了250℃。换算成绝对温度[7]的话，那就是从293K增长到了523K，几乎翻了一番。
对气体来说，这意味着分子的运动速度会变快。这里有个违反直觉的概念：单个分子没有“温度”这一说。某种气体，或者说一团分子，是可以有温度的，但单个分子无所谓温度。气体温度实际上是描述分子平均动能的一种方式，但说起某个具体的分子，它总在不断碰撞并且交换能量，因此它的速度也时快时慢，飘忽不定。每个分子都是一辆碰碰车，它的瞬时速度取决于得到的能量。气体分子运动速度越快，撞击气泡壁的力量就越大，产生的压强也越大。
面包进入烤炉以后，气体分子突然得到了大量热能，于是它们开始加速。分子运动的平均速度从480米/秒提升到了660米/秒，气泡壁承受的向外推力也随之增大，但外部压强却和原来一样。因此，每个气泡都会随着温度升高而增大，迫使面团向外膨胀。重点在于，空气气泡（主要成分是氮气和氧气）和二氧化碳气泡的膨胀率没有任何区别。分子的类型根本无关紧要，在压强恒定的情况下，无论是什么气体，只要温度升高1倍，其体积就会增大1倍。或者说，要在温度升高1倍的情况下保持气体体积恒定，那么它的压强会增加1倍。气体由哪些原子组成根本不重要，因为从统计学角度来说，所有气体都一样。面包烤好以后，谁也说不清哪个气泡来自二氧化碳，哪个又来自空气。包裹气泡的蛋白质和碳水化合物基质被烤熟固化，气泡完成了塑形，蓬松洁白的面包就这样做好了。
理想气体定律描述了气体的运动规律。事实证明，理想是可以实现的，这条定律完全符合现实情况。根据理想气体定律，对于一定质量的气体而言，压强和体积成反比，温度和压强成正比。在压强不变的情况下，气体体积和温度成正比。气体的种类不重要，重要的是气体分子的数量。理想气体定律为我们带来了内燃机、热气球，还有爆米花。而且它不光适用于升温时的情况，还适用于降温时的情况。
风的瀑布和发泡奶油
抵达南极是人类历史上一个重要的里程碑。伟大的极地探险家阿蒙森、斯科特、沙克尔顿等人都是传奇人物，讲述他们成败的图书记录了这个世界上最精彩的冒险故事。南极探险者需要面对的不仅仅是超乎想象的低温、食物短缺、咆哮的大海和衣物匮乏，就连伟大的理想气体定律也在跟他们作对。
南极洲腹地是一片气候干燥的高原，地面上覆盖着厚厚的冰层，但这里极少下雪。微弱的阳光几乎全都被白得刺眼的地面反射回去了，所以这里的温度最低可达-80℃。这里一片冷清。从原子层面上说，极地的大气几乎是凝滞的，因为气温太低，空气分子携带的能量少得可怜，运动速度自然也快不起来。高处的空气下沉到高原地表，又会被冰层偷走一部分热量，于是冷空气变得更冷。在同样的气压下，低温会使空气的体积缩小，变得致密。空气分子之间的距离也会拉近，运动速度更慢，更难抵挡周围空气的推力。南极的陆地海拔较高，向外延伸形成入海的斜坡，这些寒冷致密的空气会沿着斜坡不可抵挡地滑向大海，就像一道缓慢流动的气体瀑布，沿着巨大的山谷永不停歇地向着低处的大海奔流，速度越来越快。这就是南极洲的下降风，要是你想去南极点，那就得一路顶风前进。这真是大自然对探险者们开的最恶毒的玩笑。
很多地方都会出现下降风，下降风也不一定是冷风。在下降的过程中，凝滞的气体分子会有微弱的升温，这些微不足道的温暖可能造成戏剧性的结果。
2007年，我在圣迭戈的斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）工作。作为一个北方人，我有些不习惯圣迭戈四季不变的灿烂阳光。不过，每天早上我都能在室外游泳池里游泳，所以我也没什么可抱怨的。这里的日落十分壮美。圣迭戈位于海滨，西面便是一览无余的太平洋，傍晚的天际线美得惊人。
但我仍想念四季分明的气候。圣迭戈的时间仿佛凝固了，身在此地就像生活在梦中。不过接下来，圣塔安娜风（Santa Ana winds）来了，圣迭戈温暖宜人的天气变得炎热干燥，令人浑身难受。每年秋天，圣塔安娜风总会准时到访，来自高海拔沙漠的风吹过加利福尼亚州的海岸，奔向大海。这其实也是一种下降风。但圣塔安娜风到达海面时，空气的温度比出发时要高得多。
我清晰地记得那一天，我们沿着I-5高速公路北上，远处是一条焚风奔流的巨大山谷，开车的是我当时的男朋友。我看到山谷底部云河蒸腾。“你闻到烟味儿了吗？”我问他。“别犯傻了。”他回答。
但是第二天一早我醒来时，整个世界都变了模样。肆虐的野火沿着山谷烧到了圣迭戈北面，空气中飘着烟尘。一处篝火在炎热干燥的天气里失去了控制，火借风势，一路烧向海边。我看到的那条云河其实是野火冒出的浓烟。去上班的人要么被打发回家了，要么围在一起听广播，担心着自己的房子。我们只能等待。地平线上一片朦胧，从太空都能看到的烟云遮蔽了视线，但日落美得惊心动魄。三天后，烟雾开始上升。我认识的一些人在大火中失去了家园。所有东西上都蒙着一层灰，卫生官员建议人们一周内不要进行户外锻炼。
高原上灼热的沙漠空气经过冷却，变得致密，于是沿着山坡向下流动，就像斯科特在南极洲遇到的大风一样。然而，引发火灾的气流不仅干燥，还有很高的温度。焚风在下降的过程中为什么会变得越来越热？这些能量到底来自哪里？答案依然藏在理想气体定律之中：焚风携带的空气有着恒定的质量，而且运动速度非常快，没有时间和周围的环境交换能量。致密气流一路下降，谷底原有的空气会对它产生压力，因为谷底的气压相对较高。物质会因受压而获得能量。
你不妨想象一下：一个气球朝着一团空气分子前进，有些分子会撞上气球，然后被弹开，它们的能量显然比撞在静止平面上的分子要高。圣塔安娜风携带的空气体积会缩小，因为它遭到了周围空气的挤压。这样的挤压让运动的空气分子得到了能量，风也变得越来越热。这个过程叫作绝热增温。每年圣塔安娜风到来的时候，加利福尼亚人总会格外警惕明火。干热的焚风夺了大气中的水分，一点火星都很容易引燃野火。风的热量不光来自加州的艳阳，还来自周围空气的推挤。只要空气分子的平均速度发生变化，它的温度就会随之改变。
从罐子里挤出发泡奶油的过程则与此相反。奶油喷出的瞬间，内部的空气立即膨胀，对外界产生推力、释放能量，最后冷却下来。喷射奶油罐的喷嘴摸起来总是凉的，那是因为流经喷嘴的空气接触到大气时释放了能量。
气压只是一种参数，用于衡量微小的分子撞击某个表面的力度。正常情况下，我们不会注意到气压的存在，因为这样的撞击是均匀的。如果我举起一张纸，它并不会凭空移动，因为纸的正反两面承受的气压相等。我们每个人都时时刻刻承受着空气产生的推力，但你几乎不会感觉到它的存在。人们花了很长时间才真正了解这种推力的大小，最后的答案有些出人意料。人们很容易认识到这个发现的重大意义，因为科学家采取了一种极为直观的演示方式。重要的科学实验通常和戏剧性的场面无关，但这个实验却拥有诸多吸引眼球的要素：马、悬念、令人震惊的结果，还有神圣罗马帝国皇帝的亲眼见证。
马德堡半球和大象的鼻子
想知道作用于某件物体的气压到底有多大，你必须抽掉物体另一面的空气，形成真空，这并不容易。公元前4世纪，亚里士多德曾宣称：“自然界厌恶真空。”1000年后，这个观点仍盛行于世。创造真空似乎是个不可能的任务。但在1650年前后，奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）发明了第一台真空泵。格里克不甘心让自己的发明埋没在无人问津的技术论文中，他是一位著名的政治家、外交家，与当时的统治者关系良好，或许正是这样的背景促使他选择了一种夺人眼球的演示方式。[8]
斐迪南三世（Ferdinand III）是神圣罗马帝国的皇帝，也是欧洲许多地区的最高统治者，1654年5月8日，他带着侍臣们来到了巴伐利亚的国会大厦外。奥托取出一个直径50厘米的空心铜球，铜球被切成了两半，接缝处光滑平整，每个半球外侧都有一个环，环上系着一根绳子，方便人们把两个半球拉住。他在铜球的接缝处涂上润滑油，将两个半球拼到一起，然后用自己发明的真空泵抽出球内的空气。[9]铜球外面没有任何固定装置，可是空气被抽出去以后，两个半球牢牢地合在了一起，就像被胶水粘起来了一样。奥托早已发现，真空泵可以帮助人们直观地看到空气的力量有多强大。数十亿微小的气体分子一刻不停地撞击铜球外表面，将两个半球推到一起，但球内却没有与之抗衡的推力。要把两个半球拉开，从外部施加的拉力必须大于空气的推力。
接下来马儿出场了。两个半球各套一组马，分别向两边用力拉。皇帝和侍臣们亲眼见证了马和看不见的空气角力。两个半球合在一起也就是一个大号水皮球的大小，使它们连接的压力全部来自空气分子的撞击，30匹马都无法将它们拉开。艰苦的拔河结束后，奥托打开阀门让空气进入球内，两个半球自己分开了。毋庸置疑，气压是这场比赛的胜利者，它的强大超乎所有人的想象。如果你把这样的一个球完全抽空然后垂直悬挂起来，从理论上说，它可以承受2000千克的重物，两个半球不会因此分开。要知道，这差不多等于一头犀牛的重量。也就是说，如果你在地上画个直径50厘米的圈，那么空气向这块小小的地板施加的压力就相当于一头犀牛站在上面。看不见的渺小分子撞击我们的力度竟然有这么大。奥托为不同的观众演示了很多次这样的半球实验，后来人们将这种铜球命名为“马德堡半球”，因为马德堡是奥托的家乡。
奥托的实验之所以闻名于世，也是因为有人留下了记录。加斯帕尔·肖特（Gaspar Schott）在1657年出版的一本书里提到了马德堡半球实验，奥托的成就从此进入主流科学界的视野。有记载称，奥托的真空泵启发了罗伯特·波义耳和罗伯特·胡克后来的气压实验。
你可以自己做个真空实验，不需要马，也不需要皇帝。请找一块能够盖住玻璃杯口的方形厚卡纸。为防万一，这个实验最好在水槽里完成。在玻璃杯里装满水，把卡纸放在杯口边缘，然后小心地平推过去，直至卡纸完全盖住杯口，注意不要留下任何气泡。接下来你可以把玻璃杯倒过来，然后松开手。现在卡纸承受着整杯水的重量，却不会掉下来。这是因为下方的空气分子不断撞击卡纸，产生了向上的推力。这样的力量可以轻而易举地托起一杯水。
空气分子的撞击不光能固定物体，也能推动物体，其他动物早就发现了这个秘密，大象就是利用气压的专家。
非洲象体形庞大，它们优雅漫步的身影常常出现在干燥多尘的热带草原上。象群的核心成员通常是几头母象。年高德劭的族长带领象群寻找水和食物，它们根据自己对地形的记忆做出决策。对于这些动物来说，空有大块头是无法生存的。大象的身体沉重而笨拙，为了弥补这一点，它们拥有了动物王国里最精密、最灵敏的工具：象鼻。象群行进途中，每一头大象都会用这种奇特的装备不断探索周围的世界。象鼻能够传达信息、进行嗅探、辅助进食，还能喷水。
无论从哪个方面来看，象鼻都很奇妙。组成象鼻的肌肉相互联系、协同工作，能够灵活自如地弯曲扭转，还能抓取物体。光是这一点就已经足够实用，贯穿象鼻的两个鼻孔又为它锦上添花。鼻孔从象鼻末端通往大象的肺部，有趣的事情就发生在这里。
象群来到水边。和其他地方一样，这里看似平静的空气在一刻不停地运动着，无数分子撞击着大象皱巴巴的灰色皮肤，也撞击着地面和水面。族长走在象群的最前面，它甩着鼻子慢吞吞地走进池塘，沉重的脚步激起阵阵涟漪。它把鼻子伸进水里，闭紧嘴巴，胸部周围的大块肌肉开始收缩，使胸腔扩张。随着肺部的膨胀，肺里需要更多空气分子去占领新的空间。这意味着，在接触凉爽池水的象鼻末端，鼻孔里撞击水面的空气分子会变少。尽管空气分子运动的速度不变，母象肺内气压仍会下降。在外部气压与肺内气压的推挤赛中，外压获得了胜利。内压小于外压，所以外压推动水进入象鼻。不过，等到水占据了一部分空间后，母象体内的空气分子又会恢复原来的密度，象鼻里的水柱也不再上升。
你用鼻子喝水会呛到，大象也一样。在鼻子里存了大约8升水以后，族长的胸腔就会停止扩张。接下来，它弯起鼻子对准自己的嘴，肌肉挤压胸腔，让肺变小。体内的空气分子受到挤压，象鼻内部的水面就会遭到更多撞击。内压和外压的战斗倒过来重演一遍，象鼻里的水被挤到嘴里。族长通过控制肺的容量来调节内外压差。只要闭上嘴巴，鼻孔就成了空气出入身体的唯一通道，这样它就能够随心所欲地用鼻子吸入或喷出东西了。象鼻和肺是大象操控空气的工具，大象借助空气来喷水，而不是单纯依靠自己的力量。
我们用吸管喝水也是基于同样的原理。[10]肺部扩张，肺内空气变得相对稀薄，在吸管里对水面施压的分子就会变少，于是外部气压推动管内液面上升。这个动作我们称之为“吸”，但实际上我们并没有对水施力，吸管外的空气替我们推动了吸管里的水。只要一边空气分子撞击的力度大于另一边，就连沉重的水都可以被推动。
象鼻和吸管利用气压吸水的能力也有限度。两侧的压差越大，一侧对另一侧的推力也越大。但你能够用吸管制造的压差顶多就是一个标准大气压的大小。最完美的真空泵也只能把水抽到10.2米的高度，因为我们周围的空气只能提供这么多推力。所以，为了最大限度地利用气体分子提供推力，你得设法让它们在更高的压强下工作。大气就能提供可观的推力，但气体在高温高压下产生的推力更加惊人。只要气体分子的数量够多，速度够快，撞击频率够高，它们就足以推动人类文明。
古老的蒸汽机和用来送信的火箭
蒸汽火车是钢铁制造的巨龙，这头怪兽呼哧呼哧地喘着粗气，力气大得吓人。不到100年前，钢铁巨龙在大陆上飞驰，将工业产品和社会所需的其他物资运到诸多国家的各个地区，将旅客送往远方。蒸汽火车外表平平无奇，还会造成不可忽视的噪声和污染，但它们仍是工程学的杰作。就算这些巨龙已经过时，我们仍舍不得让它们彻底死去。志愿者和爱好者的热忱让一些蒸汽火车存留至今。我在英国北部长大，我的整个童年都沉浸在工业革命史中，对磨坊、运河、工厂，还有最重要的蒸汽机无比熟悉。现在我住在伦敦，这段过往渐渐淡去，但和妹妹一起乘坐蓝铃铁路蒸汽火车的旅程唤醒了我的记忆。
那是个寒冷的冬天，在这样的日子里，乘坐蒸汽火车奔向热茶和司康饼简直是最完美的旅程。出发前，我们没在站台上逗留太久，不过到达谢菲尔德公园后，我们离开火车，在外面待了一会儿。来来往往的人们动作迟缓，却井然有序。与庞大的钢铁巨兽相比，人类看起来是那么渺小。你很容易认出维护机车的工作人员，他们穿着蓝色制服，戴着有檐帽，举手投足间活力十足，有的工人留着胡子，不干活的时候，他们总喜欢在某个地方靠着。而且正如我妹妹所说，这些人里名叫“戴夫”的多得惊人。
蒸汽发动机的妙处在于，它背后的原理非常简单，产生的力量却是那么强大，我们需要去激发它、驯服它、培养它。蒸汽发动机和维护它的人类是密不可分的。
站在地面上仰望巨大的黑色发动机，你很难想象它其实就是一个带轮子的火炉，上面烧着一大壶水。一位戴夫邀请我们去驾驶室里看看。我们爬上发动机背面的梯子，发现眼前黑乎乎的房间里到处都是黄铜把手、表盘和管子，我还看到了两个白色搪瓷马克杯和塞在管子后面的三明治。不过驾驶室最有趣的地方在于，你可以直接看到这头钢铁怪兽肚子里面的东西。蒸汽发动机的中央是一座巨大的炉子，炉膛里炽烈燃烧的煤发出明亮的黄光。烧火工递给我一把铲子，让我给发动机“喂料”，我乖乖从后面的补给车里挖了一铲子煤，送进那张炽热的大嘴。发动机很饿。要跑完这条18千米的路线，它得烧掉500千克煤。这半吨固体黑金会转化成二氧化碳和水分子的混合气体，燃烧释放的巨大能量将它们变得滚烫。这是蒸汽火车能量转化过程的第一步。
蒸汽发动机最引人注目的部件无疑是机舱与炉子之间的长圆筒，它是发动机的主体。我从没认真想过圆筒里到底有什么东西，其实那里面填满了管子。火炉产生的热气通过这些管子传遍整个发动机，从本质上说，它是蒸汽火车的“水壶”。管子周围的大部分空间充满了水，吸收了管内气体的热量后，灼热的水分子蒸发成气体，在发动机顶部以极快的速度左冲右突。这就是蒸汽发动机的工作本质：用炉子和水壶制造出大量灼热的水蒸气。这头巨龙不会喷火，它喷出的是数以亿计携带能量的分子，但这些高速运动的分子却被困在发动机内部的狭小空间里。“水壶”顶部的气体温度约为180℃，产生的压强高达10个标准大气压。这些分子狂暴地敲打着发动机壁，但只有在人类需要它们干活的时候，它们才能出去。
我们离开驾驶室，走到机车前方。高耸的发动机、半吨煤、巨型水壶和所有维护人员——我们刚才看到的一切都服务于眼前这个东西：两个带活塞的圆筒，每个直径约50厘米，长约70厘米。它位于机车前方，和整个钢铁巨龙比起来是那么渺小，但却是真正的核心所在。灼热的高压蒸汽进入其中一个圆筒，活塞另一面的普通空气无法抵御巨龙喷出的10倍气压，分子的撞击力推动活塞沿着圆筒移动，伴着令人心满意足的“哐哧”声，灼热的气体最终会释放到外面的大气之中。蒸汽发动机熟悉的“哐哧”声正是源于这里，这是完成任务的水蒸气释放到大气中时发出的声音。活塞推动车轮沿铁轨前进，车头拖着车厢开动了。我们知道，维持蒸汽发动机运转需要消耗大量煤，但很少有人关心蒸汽火车跑一趟需要多少水。500千克燃煤会将4500升水转化成蒸汽，这些蒸汽推动活塞，然后伴随着每一次的“哐哧”声散逸到大气中。[11]
参观结束后，我们依依不舍地离开发动机，回到车厢里，让蒸汽火车把我们送回家。返程途中，一切似乎都变得不一样了。看到窗外白茫茫的一片，我不由得想起水蒸气为我们的旅途做出的贡献；想到刚才在驾驶室里看到的景象，发动机巨大的轰隆声似乎也不那么吵了。要是有人能用玻璃做一台蒸汽机车该有多好，这样所有人都能看到这头巨兽是怎么工作的。
利用气体分子的推力是19世纪早期蒸汽革命的核心。你只需让某个表面两侧的气体产生压力差，这样的推力能顶起厨房里的锅盖，也能用来运送食物、燃料和旅客，两种现象的基本原理完全相同。现在，蒸汽发动机已经过时，但我们仍在利用气压差带来的推力。从技术角度来说，蒸汽发动机属于“外燃机”，因为炉子和水壶彼此独立，互不相干。而在汽车发动机里，燃烧发生在圆筒内部，汽油就在活塞旁边燃烧，产生的高温气体直接推动活塞。这类发动机被称为“内燃机”。开车或坐公交车的时候，请你记得，推动你的是气体分子。
气压和体积的关系非常容易演示，你只需要一个广口瓶和一个剥了壳的熟鸡蛋。瓶口的直径要比鸡蛋小一点点，让鸡蛋能够安稳地放在瓶口上，不会掉进去。请点燃几张纸扔进瓶子，让燃烧持续几秒，然后把鸡蛋放在瓶口。片刻之后，你会看到鸡蛋慢慢地挤进了瓶子里。这下麻烦了，该怎么把瓶子里的鸡蛋弄出来呢？把瓶子倒过来，让鸡蛋从里面堵住瓶口，然后用热水冲一会儿瓶子，鸡蛋自然就会掉下来。
这个游戏的奥秘在于，瓶内气体的质量是固定的，通过鸡蛋你可以看出是瓶子里的气压更高还是外面的气压更高。鸡蛋在瓶口，那么瓶内气体的体积是固定的。这时候如果用火加热瓶子，那么瓶内气压就会升高，会有空气从鸡蛋周围冒出来。等到气体冷却下来，瓶内气压也会随之降低，所以鸡蛋会挤进瓶子。这时候，外部气压大于瓶内气压。容器还是这个容器，你可以反复冷却、加热空气，让鸡蛋钻进钻出。
蒸汽发动机制造的高压是稳定可控的，它能为活塞和车轮提供理想的动力。但事情并未到此为止。为何不简化从气体到轮子的过程，以此节约能量呢？为何不用高温高压的气体直接驱动车辆？枪炮和烟花就是这类思路的产物。众所周知，在发明之初，这些东西的稳定性都很差，到了20世纪初，人类的技术和追求都有了长足的进步，火箭才终于被发明出来，它采取的正是最直接的推进方式。
第一次世界大战之前，火箭技术还不够可靠，在20世纪30年代，发射出去的火箭很可能飞往正确的方向，却不大可能炸死人，至少多数情况是这样。和很多新技术一样，火箭刚刚发明的时候，人们根本不知道它能用来干什么。在热情的驱使下，富有创造力的人类为它想出了一个听起来很时髦却破坏力十足的新用途：送信。
在欧洲，人们真的试过用火箭送信，这完全是因为格哈德·楚克尔（Gerhard Zucker）的努力。当时捣鼓火箭的发明家有好几位，但面对接踵而来的挫折与失败，只有楚克尔以近乎偏执的坚持和绝不放弃的乐观走在了所有人的前面。这位德国的年轻人痴迷于火箭，可是军方对他的发明毫无兴趣，所以他转而在民用领域探索前景。在他看来，用火箭送信正是全世界人民翘首以盼的，因为火箭速度够快，可以跨越大洋，而且闪烁着创造力的光辉。德国人受够了他失败的早期试验，于是楚克尔来到了英国。在这里，他获得了集邮爱好者的友谊和支持，集邮者们欢迎新邮戳和新的邮递系统。在汉普郡进行了一次小规模试验后，1934年7月，楚克尔动身前往苏格兰，试图在斯卡普岛和哈里斯岛进行火箭送信试验。
楚克尔的火箭还不太成熟。它的主体是一个长约1米的巨大金属圆筒，圆筒内有一根装满了炸药粉的细铜管，喷嘴位于圆筒底部。信件就塞在铜管外壁和圆筒内壁之间。火箭顶端是个带弹簧的尖顶，楚克尔希望它能缓冲火箭着陆的冲击力。更可爱的是，考虑到炸药可能引燃信件，楚克尔还在铜管外添加了保护层，他在草图上是这样标注的：“用石棉包裹火药筒，以防毁坏邮件。”这枚火箭被安放在一台支架上，斜斜指向天空。发射的时候，电池会引燃炸药，产生大量高压热气。高速运动的气体分子猛烈撞击火箭顶端，推动它向前飞行，但火箭尾端不存在等量的推力，废气只是通过喷嘴直接排放到大气中。推力的失衡使火箭疾速向前飞行，炸药会持续燃烧几秒，足以将火箭推到高空，让它飞越两座岛之间的海峡。至于火箭的落点和着陆方式，他似乎没怎么考虑，不过楚克尔之所以会在苏格兰四面环海的偏远地区进行这次试验，应该也有这方面的原因。
为了完成试验，楚克尔征集了1200封信件，每封信上都盖了特制的邮戳，上面写着“西部群岛火箭邮政”。他把塞得满满当当的火箭放到支架上，围观的人群屏息静待，英国广播公司的摄像机开拍，激动人心的时刻来了。
发射键被按下的瞬间，电池点燃了炸药。剧烈的燃烧在铜管内制造出灼热的混合气体，载满能量的分子撞击火箭顶壁，推动火箭离开支架高速升空。不过短短几秒钟后，伴随着一声巨大的闷响，火箭消失在一团浓烟中。烟雾散尽后，数以百计的信件从半空中飘落。石棉层圆满地完成了任务，火箭却彻底被毁。高压热气很难控制，携带大量能量的分子炸掉了火箭的外壳。楚克尔觉得是炸药筒不够好，他开始回收信件，准备进行第二次试验。
几天后，从上次事故中抢救回来的793封信和142封新邮件被塞进了第二枚火箭。这次楚克尔选择在哈里斯岛发射，终点是斯卡普岛。不过他还是差了点运气。第二枚火箭直接在发射台上爆炸了，这次的声音更加响亮。残存的信件再次被收集起来，由常规邮政系统送往收件人手中，只有烧焦的毛边暗示着它们不同寻常的历程。火箭试验遭到了公众的抛弃。但接下来的几年里，楚克尔仍锲而不舍，他总是相信下次一定会成功，但成功始终没有到来——至少他从未用火箭成功送出过信件。[12]楚克尔是个执着于探索的人。我们可以说他没有在正确的时间和地点想出正确的主意。要是天时地利人和俱全，人们就会将他尊为天才。小型火箭可靠性低、精度不高，要说送信，它的确比不上机动化运输系统和电报。从某种角度来说，楚克尔是对的：以高压热气为推进剂，完成A点到B点的运输任务，这个想法潜力无限。可最后是其他人为这个原理找到了真正的舞台，解决了实际问题，最后大获成功。德国的V1和V2火箭在第二次世界大战中崭露头角，火箭研发纳入军方项目，民用太空项目也逐渐兴起。
现在，我们早已熟悉了巨大的火箭搭载设备和人员飞往国际空间站或者将卫星送上太空的画面。火箭的确非常强大，现代的控制系统让它们变得安全可靠，这是人类了不起的成就。但是，无论是“土星5号”（Saturn V）、“联盟号”（Soyuz）、“阿丽亚娜系列”（Ariane）还是“猎鹰9号”（Falcon 9），所有火箭背后的基本原理都和楚克尔简陋的邮政火箭一模一样。只要能在足够短的时间内制造出足够多的高压热气，你就可以利用数以亿计的分子累积起来的强大撞击力。“联盟号”火箭第一级的飞行气压大约是标准大气压的60倍，所以它产生的推力也是普通空气推力的60倍。不过，这两种推力本质上完全相同，都是由分子撞击物体而产生的。只要分子够多，速度够快，撞击频率够高，这样的推力就能把人类送上月球。永远不要低估那些小得看不见的东西！
能量和天气
气体分子总是和我们形影不离。地球大气时刻包裹着我们，撞击着我们，推动着我们，也维持着我们的生命。大气的有趣之处在于，它不是静止的，它总在不停地流动变化。空气在我们眼里是隐形的，若非如此，我们就会看到大量空气不断升温或是冷却，扩张或是收缩，永不停歇地运动。和气体分子一样，大气的运动也遵循气体定律。就算离开了抹香鲸的肺和蒸汽发动机，空气中的分子仍在一刻不停地彼此推挤。大气在不断运动，根据环境的变化调节自己。人们看不到大气变化的细节，却给大气运动带来的结果起了个名字：天气。
广袤的平原是观察风暴的最佳地点。风暴来临的前一天，天气晴朗，天空蓝得像是永远不会变一样。看不见的空气分子聚集在地面附近，向着高处扩散，它们一刻不停地推挤、碰撞、流动、调整。温度变化促使空气不断地从高压区向低压区分流。不过，这一切进行得缓慢而平和，你很难想象这些分子携带着多么巨大的能量。
风暴来临之日的凌晨和前一天别无二致，但天空更加清澈，所以地面升温的速度也大大加快了。空气分子吸收了部分热量，运动速度越来越快。到了午后，天空中已经形成了一道厚厚的云壁，它不断移动、扩张，直至遮蔽整个地平线。能量在流动。压差推动气体形成的厚墙碾过这片平原。由于这堵巨墙并不稳定，戏剧性的场面出现了。气体分子彼此推挤，但它们没有足够的时间来重新达到平衡。与此同时，大量能量不断流动，情况瞬息万变。被地面加热的空气向上推挤云层，在气墙上方顶起一座座高塔。
雷雨云终于来到了我们头顶，低悬的黑色云层遮蔽了一望无际的湛蓝。头顶不时传来沉闷的雷鸣，我们看不到空气分子，只看到乌云翻涌如潮。云层中的气团彼此冲撞推挤，巨大的压差让这个再调整的过程变得迅猛狂暴。能量在空气分子之间交换，雨滴逐渐形成、变大，第一批硕大的雨滴开始坠落。强风从我们身边呼啸而过，那是空气分子在地面上飞奔。
巨大的雷雨云让我们看到了湛蓝的天空中积聚着多少能量，但这看似极端的现象不过是空气分子的推挤和碰撞在宏观层面上留下的痕迹，分子层面发生的事情比这还要激烈得多。空气分子会从阳光中吸收能量，再释放给海水，从云层的冷凝中吸收能量，再辐射到太空中。无论如何，它们总在按照理想气体定律一刻不停地调整自己。旋转的地球拥有斑斓的色彩和起伏不定的表面，使得这种调整更加复杂，云、微粒和某些气体的存在又带来了额外的变数。天气预报实际上就是追踪头顶天空中的战斗，挑选出对地面上的我们影响最大的结果。不过从本质上说，大象用鼻子喝水、火箭一飞冲天，还有蒸汽推动火车也遵循同样的原理，这些现象都是气体定律在现实中的投影。爆米花和天气之间也有这种隐秘而深刻的关联。