? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 托里拆利：氣壓計的發(fā)明者

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2019-4-22 青野云麓

埃萬杰利斯塔?托里拆利（Evangelista Torricelli，又譯托里切利，1608年10月15日－1647年10月25日），意大利物理學兼數(shù)學家，以發(fā)明氣壓計而聞名。他在正當39歲生日之際，突然病倒，與世長辭。可他在短短的一生中，取得了多方面杰出的成就，贏得了很高的聲譽。

伽利略學說的捍衛(wèi)者托里拆利出生在意大利華耶查城的富裕的貴族家庭。他從小就受到了良好的數(shù)學教育。在十七八歲時，卓越的數(shù)學才能已初露鋒芒。于是在他二十歲時，伯父將他帶到羅馬，受教于伽利略的學生卡斯德利?？ㄋ沟吕钱敃r遠近聞名的數(shù)學家和水利工程師，他在數(shù)學領(lǐng)域內(nèi)很多方面都有卓著的成就，還為水力學創(chuàng)立了科學的基礎(chǔ)。卡斯德利見托里拆利年輕聰慧，十分喜愛，便指派他為自己的私人秘書，在學術(shù)上給予他指導。

1642年伽利略逝世后，托里拆利接替伽利略任佛羅倫薩科學院的物理學和數(shù)學教授，并被任命為宮廷首席數(shù)學家。從此他有錢可以做一些實驗研究，不再像以往那樣只能從事理論探索。后來，托里拆利大大充實了伽利略的《兩門新科學的對話》“第五、六兩天”的內(nèi)容。

托里拆利在佛羅倫薩生活了五年，直至去世。在這五年多的時間里，他進行了大量的科學研究，還結(jié)識了畫家羅莎，古希臘文明學者達狄和水利工程師阿里蓋提，并受到了上層人物們的普遍敬重。他還應(yīng)邀在秕糠學會作了12次學術(shù)演講，演講題材廣泛，其中有6次是關(guān)于物理學方面的。這些講稿在語詞方面均無瑕疵可挑，為常人所不及，是典型的意大利文學作品。他的演講中還充滿著文藝復學時代的那股斗爭精神，抨擊了那種盡全力維護頑固守舊勢力的天主教思想，多次歡呼伽利略的成就，捍衛(wèi)伽利略的學說。

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托里拆利出生在意大利法恩扎，教皇國的一部分。他像個孤兒被爸爸拋棄丟給叔叔照顧，由他的叔叔從小照顧和教育，他的叔叔，一個名叫卡瑪爾迪斯的和尚，在1624年將年輕的托里拆利送入到耶穌會學院去學習數(shù)學和哲學，一直學到1626年。在1627年，托里拆利到羅馬學習科學，師從比薩的羅馬大學數(shù)學教授本篤?貝內(nèi)代托?卡斯特利。

托里拆利深入研究了伽利略的《兩種新科學的對話》這本書。并從書中獲得了有關(guān)力學原理的發(fā)展的很多啟發(fā)。1641年，托里拆利出版了《論重物的運動》一書， 企圖對伽利略的動力學定律作出新的自己的結(jié)論 ?？ㄋ固乩谝淮伟菰L伽利略時，將托里拆利的論著給伽利略看了，還熱情推薦了托里拆利。伽利略看完托里拆利論著之后，表示非常欣賞他的卓越見解，便邀請他前來充當助手。托里拆利來到佛羅倫薩，會見了伽利略，此時伽利略已雙目失明，終日臥在病床上。在他生命的最后三個月中，托里拆利和他的學生擔任了伽利略口述的筆記者，成了伽利略的最后的學生。

除了一些信件以外，很少有資料涉及托里拆利在1632年和1641年幾年間的活動，也即卡斯特利將托里拆利關(guān)于拋體運動路徑的論文寄給伽利略的那段時間（此后伽利略被軟禁在他在阿切特里的別墅里）。雖然伽利略立馬邀請托里拆利訪問，但他直到伽利略去世三個月前才應(yīng)邀前往。訪問期間，他還記錄下了伽利略的《第五日論述》。在伽利略于1642年1月8日逝世后，大公斐迪南二世?德?美第奇請他接任伽利略的數(shù)學公爵和比薩大學的數(shù)學教授之職。在任期間他解決了當時很多重要的數(shù)學問題，如尋找擺線的面積和重心。他還設(shè)計和制作許多的望遠鏡和簡單的顯微鏡。

在佛羅倫薩染上傷寒的幾天后，托里拆利去世了，并被安葬在圣洛倫索。為了紀念他，小行星7437被命名為托里拆利。他將所有的遺產(chǎn)留給了他收養(yǎng)的兒子亞歷山大。

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發(fā)明氣壓計

托里拆利的首要發(fā)明是水銀氣壓計。

當時學術(shù)界對空氣是否有重量和真空是否可能存在的問題還認識不清，主要是受亞里士多德思想的遺留影響，認為“世間萬物之中除了火和空氣以外均有各自的重量?！辈猿肿匀唤纭昂ε抡婵铡钡恼f法。伽利略對此說法表示懷疑，他說：“我們不能相信亞里士多德所說的那樣，僅僅認為某物是輕的，某物是重的，而應(yīng)當認識到所有的物體都有其各自的重量，只不過各有重量大小不同和質(zhì)地疏密之分而已?！薄叭绻藗儜{感覺和理解都還不能認識到真空的存在，那么憑感覺和理解又如何能否認真空的存在呢？”伽利略曾發(fā)現(xiàn)，抽水機在工作時，不能把水抽到10米以上的高度，他把這一現(xiàn)象歸結(jié)為水柱受不了它本身重量之故，再找不到合理滿意的解釋。

托里拆利堅決贊同伽利略的關(guān)于空氣有重量和真空存在的說法。在總結(jié)前人理論和實驗的基礎(chǔ)上，托里拆利進行了大量的實驗，實現(xiàn)了真空，驗證了空氣有重量的事實，否定了伽利略的關(guān)于真空力的說法。

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大約在1641年，一位著名的數(shù)學家、天文學家貝爾提曾用一根10米多長的鉛管做成了一個真空實驗。托里拆利受到了這個實驗的啟發(fā)，想到用較大密度的海水、蜂蜜、水銀等做實驗。他選用的水銀實驗，取得了最成功的結(jié)果。他將一根長度為1米的玻璃管灌滿水銀，然后用手指頂住管口，將其倒插進裝有水銀的水銀槽里，放開手指后，可見管內(nèi)部頂上的水銀已下落，留出空間來了，而下面的部分則仍充滿水銀。為了進一步證明管中水銀面上部確實是真空，托里拆利又改進了實驗。他在水銀槽中將其水銀面以上直到缸口注滿清水，然后把玻璃管緩緩地向上提起，當玻璃管管口提高到水銀和水的界面以上時，管中的水銀便很快地瀉出來了，同時水猛然向上竄管中，直至管頂。由此可見，原先管內(nèi)水銀柱以上部分確實是空無所有的空間。之前水銀柱和現(xiàn)在的水柱都不是被什么真空力所吸引住的，而是被管外水銀面上的空氣重量所產(chǎn)生的壓力托住的。托里拆利的實驗是對亞里士多德的力學的最后致命打擊，于是有些人便妄圖否定托里拆利的研究成果，提出玻璃管上端內(nèi)充有“純凈的空氣”，并非真空。大家各抒已見，眾說紛壇，引起了一場激烈的爭論。爭論一直持續(xù)到帕斯卡的實驗成功證實托里拆利的理論后才逐漸統(tǒng)一起來。

托里拆利在實驗中還發(fā)現(xiàn)不管玻璃管長度如何，也不管玻璃管傾斜程度如何，管內(nèi)水銀柱的垂直高度總是76厘米，于是他提出了可以利用水銀柱高度來測量大氣壓，并于1644年同維維安尼合作，制成了世界上第一具水銀氣壓計。這個發(fā)現(xiàn)使他的名望永存，而真空測量的單位托就是用他的名字來命名的。

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托里拆利定律

托里拆利還發(fā)現(xiàn)了托里拆利定律，這是一個有關(guān)流體從開口流出的流速的定律，即水箱底部小孔液體射出的速度等于重力加速度與液體高度乘積的兩倍的平方根。這后來被證明是伯努利定律的一種特殊情況。

當時，水力學權(quán)威卡斯德利認為水流的速度跟孔到水面的距離成正比，且這一見解又得到伽利略的贊同，無人敢懷疑。托里拆利為弄清楚這一道理，認真地做了實驗，進行了仔細的測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從器壁小孔流出的水流的速度不是跟孔到水面的距離成正比，而是跟此距離的平方根成正比。水流初速度v與桶中水面相對于孔口高度差h的關(guān)系式為v=A√h（A為常數(shù)）。后人稱此式為托氏的射流定律。約在他之后的一個世紀，丹尼爾?伯努利才得出v=√2gh的結(jié)果。托里拆利后來又通過實驗證明了從側(cè)壁細孔噴出來的水流的軌跡是拋物線形狀。托里拆利的這些發(fā)現(xiàn)，為使流體力學成為力學的一個獨立的分支奠定了基礎(chǔ)。

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數(shù)學上的貢獻

托里拆利也具有很高的數(shù)學造詣。他在數(shù)學方面最大的貢獻是進一步發(fā)展了卡瓦列里的“不可分原理”，幫它走向后來牛頓和萊布尼茲所創(chuàng)立的微積分學。他在《幾何學文集》中提出了許多新定理，如：由直角坐標轉(zhuǎn)換為圓柱坐標的方法，計算有規(guī)則幾何圖形板狀物體重心的定理。還成功地結(jié)合力學問題來研究幾何學。例如，他研究了在水平內(nèi)的一定速度拋出物體所描繪的拋物線上作切線的問題，還研究了物體所描繪的拋物線的包絡(luò)線。他曾測定過拋物線弓形內(nèi)的面積，拋物面內(nèi)的體積以及解決了其他十分復雜的幾何難題。

托里拆利還將卡瓦列里的不可分原理以通俗易懂的方式寫得頗受廣大讀者歡迎，對不可分原理的普及起了推動作用。