空气的重量

你是否用过“轻如空气”这个短语？如果用过，你可能在描述的过程中忽略了空气的重量。是的，空气是有重量的。这个重量表现为气体压强，也就是气压。下一个问题很明显：什么是压强？

每一天，压强都以重要或不重要的方式出现在你的生活中。你的菜刀锋利吗？你坐的椅子有多舒服？为什么你的高跟鞋比平底鞋更痛？简单来说，压强就是力（你的刀子、你坐在椅子上的屁股、你的整个身体等任何物体的重量）除以施加力的面积（刀刃的边缘、椅垫在你屁股上的轮廓、你可怜的脚趾）。换句话说，面积越小，给定力所产生的压强就越大。

那么，如果你必须穿越结冰的湖面，该如何做呢？将这一原则付诸行动。脚很小的人比体重相同但穿雪鞋的人更容易踩破薄薄的冰层，穿着雪鞋可以将体重分散到更大的面积上，对冰面减轻压强。还在担心吗？你最好的办法就是躺下，然后一英寸[4]一英寸地爬过去，将你的重量分散到整个身体的面积上。

如果空气的重量会产生气压，这就意味着空气会产生可测量的力。想象一下，你在海平面上，比如当地的海滩上，带着一个一英寸见方的空玻璃柱，将它的一端放在地面上，让上端像杰克的豆茎一样神奇地笔直向上生长，直到到达地球大气层的外部极限。现在，你以切割饼干的方式，已经切出一根长长的气柱。如果你把这根柱子里的所有空气放到天平上，它的重量将接近15磅[5]。这15磅的重量每天压在你身体的每平方英寸上。但是如果有人把15磅的重物放满你身体的每平方英寸，你就无法挺胸呼吸了。这到底是怎么回事？人类如何在如此巨大的压力下生存？

流体中的压力表现在各个方向，而不仅仅是向下。空气被归类为流体，这看似很奇怪。根据定义，流体按照容器的形状塑形，气体和液体显然都是如此。因此，向下压迫你身体的空气也必须像其他流体一样，在各个方向上表现出来。向下的压力与向上、向侧面和向四周各个方向的压力是一样的。所有这些力都被抵消了，而且假设你的肺里有空气，你根本感觉不到空气的重量。

如果以某种方式消除平衡力呢？使用过吸盘的人都做过这样的实验。当你把吸盘贴紧坚硬、光滑、平坦的表面时，你会发现很难把它拔起来。事实上，这正是吸盘的作用。吸盘越大，就越难把它从表面拔起来，即使没有胶水或其他黏性物质将其粘在上面。

为什么？因为吸力不是力，而是大气压力对真空的反应。现在，每平方英寸15磅的气压将橡胶吸盘推向其固定的表面，形成真空，并消除其背后的任何平衡力。因此，如果你的吸盘面积是10平方英寸，那么你要面对的大气压力就是10根柱子的空气。10乘以15磅意味着你现在必须施加150磅的力，也就是大概一个成年人的体重，才能松开吸盘。

气压在各个方向的作用相同，所以你的吸盘在任何方向都能发挥作用。在许多抢劫题材的电影中，鬼鬼祟祟的窃贼会使用吸盘鞋和手套攀爬墙壁与天花板，以躲避侦查或避免触发激光警报器。理想情况下，一些附加装置会将空气泵入或排出吸盘鞋，这样主人公就不用每走一步都要承受150磅的压力。

但是，流体的作用不仅仅是形成容器的形状。它们的另一个显著特性是其中的浮力。传说，公元前250年左右，古希腊数学家、叙拉古的阿基米德在古希腊的一个公共浴室度过愉快的时光时发现了浮力，并惊呼：“尤里卡！（我找到了！）”

根据这个古老的传说，叙拉古僭主雇用了一位金匠，让他用事先称好的一块金子制作一顶王冠。金匠答应了，并很快完成了任务。僭主既多疑又贪婪，他想确定金匠是否偷了一些金子，换上了价值更低的银子。于是，他求助于以数学成就闻名的阿基米德，请他设计一个策略，以确定王冠的真伪和金匠的诚信。有什么地方比在浴室里更适合思考这个问题呢？当阿基米德把身体浸入盛满水的浴盆里时，他注意到浴盆里的水溢出来了，这时他意识到溢出来的水的体积与他浸入水中的身体部分的体积相等。

阿基米德知道黄金原来的重量，现在又知道了如何测量不规则形状物体的体积，因此他可以通过比较密度来确定真伪。密度是物体的质量（在阿基米德的例子中是重量）除以体积（或大小）。阿基米德得到了一块纯银和一块纯金，每块的质量（或重量）都与王冠的相同。然后，他将金块浸入装满水的碗中，测量金块流出的水量。然后，他用银块重复这个实验，并比较了两次测量结果。由于银的密度小于金，银块比相同质量的金块更大，流出的水也更多。为了完成实验，阿基米德最后把僭主的王冠放进了同一个装满水的碗里。如果王冠是由纯金制成的，它流出的水量就会与未成型的纯金块相同。但事实并非如此：它流出了更多的水。因此，阿基米德用他巧妙的新方法证明金匠确实欺骗了僭主——故事就是这么说的。

这种方法适用于任何流体中的任何物体。（万一你要验证一顶金王冠的真伪，知道这一点很有好处。）不过，这里面还有更多玄机。阿基米德在他的著作《论浮体》中写道，任何完全或部分浸入流体中的物体都会受到一个向上的力，这个力等于流体的重量，这就是浮力的原因。如果任何物体的重量小于它所排开液体的总重量，它就会浮起来。

对浮力的利用彻底改变了全球工业、政治和社会。例如，一块钢容易下沉，而一块木头容易漂浮，我们凭直觉就知道这一点。然而，自19世纪中叶以来，木制战舰已升级为钢铁战舰，满载武器装备和水手大军。以前很容易被炮火击沉的战舰，现在变得足以抵挡攻击。一个世纪后，海上航行不再险象环生，而是成为一种吸引人的休闲方式。每年都有数百万人兴高采烈地登上用钢材焊接而成的数千英尺长的游轮。这些巨大的船只之所以能漂浮起来，是因为包括中空内舱的所有空气和其他设施在内的总重量小于它们所排开的水的重量。

船上的人呢？就其本身而言，我们的肌肉和骨骼会下沉，而脂肪会漂浮。但是，成年人体内约有60%的H2O（婴儿体内约有80%）。因此，一个健美运动员被扔到海里会更容易沉下去，普通人则更容易浮起来。

人体的整体密度与水相似，所以你排开的水的重量与你的体重差不多，这使得你在水中几乎没有重量。你不会像泡沫塑料或软木一样高高晃动，也不会像石头一样沉下去。但在死海，它的盐度几乎是普通海水的10倍，人都会浮在水面，即使是拥有六块腹肌的健身教练也不例外。盐形成的介质密度比普通海水高得多，因此作用在身体上的浮力也大得多。

阿基米德原理适用于任何流体，因此浮力在海洋和空气中都起作用。让我们回到你在大气中切出的一平方英寸见方的柱子。在柱子底部有15磅的压力。然而随着你的上升，压在你身上的空气越来越少。因此，气压会下降。

1644年，埃万杰利斯塔·托里拆利提出了一个革命性的主张：“我们生活在空气海洋的底部，通过不容置疑的实验，我们知道空气是有重量的。”他重新做了一个连伟大的伽利略都感到困惑的实验。如果在一根30英尺长的管子里装满水，然后将管子倒置于装有更多水的盆子里，管子里的水只有一小部分会流到盆子里，管子顶端则会出现一段真空。伽利略认为，管子顶部的真空以某种方式牵引着水，使其无法完全排入盆中，但他未能证明自己的假设。

对此，托里拆利推论说，管子顶部的空隙确实是真空的，但它的真空状态与发生的情况无关。相反，他断言，周围和上方的空气正在向下挤压盆中裸露的水面。反过来，盆里的水又对管子中的水施加向上的压力，使其无法完全排空。托里拆利最终用水银代替水完善了同样的实验。水银的密度几乎是水的14倍，因此可以使用更小的管子和水盆来操作。

盆中水银池的大气压力越高，水银就会沿着管子往上爬得越高。大气压越低，从管子中溢出到盆中的水银就越多。用英寸来标记管子的高度，以量化所发生的情况，这就是世界上第一个水银气压计。（所以，下次当你听到气象人员用“毫米汞柱”来表示气压时，你就会知道他们在说什么了。这是托里拆利的功劳。）

试想一下，伽利略可能会对一个简单的吸管演示感到多么困惑。你把吸管浸入饮料并用手指盖住吸管顶端，当你抽出吸管时，大部分液体仍留在吸管内。这并不是因为你的手指和吸管内的液体之间存在某种神秘的真空，而是因为吸管外的所有气压都从下往上推。你的手指切断了来自上方的压力，这种压力原本是平衡对液体的作用的。

在托里拆利发现大气压力后不久，一位名叫布莱兹·帕斯卡的法国数学家被这种空气压在盆上的假设所吸引，他提出，如果空气压在盆上，那么空气较少的地方，如山顶，压下的空气会减少，从而使更多的水银从管子中溢出，进入盆中。他说服家人把一个巨大的水银气压计搬到附近最高的山峰多姆山的山顶，一路上测量。令他高兴的是，随着他的攀登，越来越多的水银流入盆中，这表明大气压力随着海拔的升高而下降。

由于发现空气具有可测量的重量，而且重量会随着高度的增加而减少，地球人很快就摸索出了新的办法让我们在天空翱翔，就像伊卡洛斯在临死前所做的那样。