【科學哪裡來】 真空與大氣壓力

文/胡妙芬 |2021.02.17
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圖/陳彥伶
德謨克利特 460BC~370BC 古希臘哲學家 呵呵,世界是「多」,不是「一」。世界是由不連續的原子和虛空組成。所以真空是必然存在的喔。圖/陳彥伶
嗚,怎麼又是我? 別傷心,您還是很偉大的啦! 亞里斯多德圖/陳彥伶
噗,裡面的零食又沒變多。圖/陳彥伶
世界是一個均勻、永恆、不可分割、形狀為球形的「一」 。圖/陳彥伶
怎麼吸不起來?圖/陳彥伶

文/胡妙芬

歷史像一條幽幽的河,慢慢的流向17世紀。但是,物理學家們與亞里斯多德(Aristotle)的對決還沒有結束。教會對於科學的箝制已經漸漸鬆開力道,但是教會向大眾灌輸的亞里斯多德學說,畢竟已經盤桓歐洲好幾個世紀,人心一時之間難以改變,科學家們必須提出更有說服力的理論與實驗,才能扳倒教會與亞里斯多德的論點。

真空存在嗎?

這一次的物理對決,主題是:「世界上到底有沒有『真空』?」;帥氣的男主角則是大科學家伽利略(Galilei)的學生──托里切利(Torricelli)。從今天的角度看來,抽真空、真空管、食品真空包裝……真空的應用處處可見,人們早已習慣真空存在的事實。但是在遙遠的古代,「真空」存不存在,就是一個吵了幾千年也還沒有定論的議題。

古希臘哲學家們就經常爭論:世界上到底有沒有真空?生活在義大利南部的巴門尼德(Parmenides)就認為:

但是,主張「原子論」的德謨克利特(Democritus)可不這麼想。他認為──

很顯然,德謨克利特的原子論比較貼近現代科學。但是對兩千多年前的古人來說,原子看不見、摸不著,原子論太抽象,更別說「真空」了!所以,支持原子論和真空存在的聲量,明顯比支持真空不存在的聲量小很多。

被中世紀教會奉為聖賢的亞里斯多德,也認為「真空不存在」。他說了一句簡單扼要的名言:「萬物厭惡真空」(nature abhors a vacuum),意思就是在任何空間只要出現空隙,其他物質會立刻填補進來占據這個空缺。隨著亞里斯多德誤打誤撞成為中世紀的學術權威,這句「萬物厭惡真空」也統治人們的思想一千多年;所以即便到了17世紀,人們還是不相信大自然有真空存在,直到托里切利(Torricelli)出現。下回請看托里切利與「抽水機」鬥智的故事。(待續)

福報小學堂

發問1

原來地面上的大氣壓力這麼大!每1平方公方的面積就承受大約1公斤重的大氣。這種大氣壓力是怎麼來的呢?

老師答:

很簡單,大氣壓力就是空氣分子的重量造成的!雖然空氣感覺很輕,但別忘了,大氣層的厚度超過一千公里!這厚厚的空氣全部累加起來,壓在我們身上,說是每個人都頂著「百斤的重擔」一點也不為過!

還好,人的骨骼、肌肉,天生就具有抵抗大氣壓力的強度,所以我們平常對大氣壓力沒什麼感覺。除非是到大氣壓力較小的高山或高空,才會觀察到空氣壓力不同造成的差別:從平地帶上山的零食包,會因大氣壓力變小而變得鼓鼓的;爬山、坐飛機時,耳朵也會因氣壓改變而覺得「塞塞的」,甚至耳朵痛。

發問2

氣象報告中常提到太平洋「高壓」或熱帶「低壓」一類的名詞,這和大氣壓力有關嗎?

老師答:

老師答:氣象報告中的高壓、低壓,指的就是大氣壓力的高或低!這是因為空氣「熱脹冷縮」:當空氣遇冷收縮,密度就增大,重量加重,使氣壓升高;相反的,空氣受熱膨脹,密度變小,重量減輕,氣壓就降低。所以氣壓遇冷會變高、遇熱會變低;而且空氣會從高壓往低壓處流。因此台灣在冬天時若遇上「大陸冷高壓南下」,就表示天氣即將變冷了。

發問3

據說,吸盤式的掛勾是利用「大氣壓力」的原理。生活上還有哪些應用到大氣壓力的例子呢?

老師答:

為了避免在牆上打洞,人們發明吸盤狀的橡膠掛勾來代替釘子:只要把吸盤裡的空氣擠光,大氣壓力就會使吸盤緊貼牆壁。我們用吸管喝水,也是靠大氣壓力幫忙:只要輕輕吸走吸管內的一點液體,大氣壓力就會把杯內液體「壓」進吸管和我們口中;如果是在幾乎真空的月球上,沒有大氣壓力,想用吸管喝水就難了!

本文摘自《科學史上最有梗的20堂物理課》親子天下出版

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