關於空氣彈性的新物理-力學實驗
把氣體壓進一半的空間,它就反推兩倍的力——壓強乘體積,守恆不變。
用大拇指堵住打氣筒的出氣口,再往下壓——你壓得越狠,裡頭封住的空氣就把你頂得越凶。波以耳找到了這股反頂背後那條精確的規則。
壓一壓,它就回頂——而且有準數
空氣有一股彈性,波以耳稱之為「空氣的彈性」:它向外擠壓,你越壓它,它頂得越凶。他的發現,是「凶」出了多少。
把一團封住的空氣壓進一半的空間,它就回頂整整兩倍的力。壓進三分之一的空間,回頂三倍。體積往下,壓強往上,步調分毫不亂——於是體積乘壓強,永遠是同一個數。這就是波以耳定律。
一根管子、一位批評者,與一條借名而來的假說
羅伯特·波以耳是位富有的英裔愛爾蘭紳士,也是皇家學會的創建人之一,在牛津做研究,身邊有位年輕助手羅伯特·虎克,替他造了一台抽氣機。1660 年,他發表實驗,主張空氣是有彈性的。一位名叫法蘭西斯·萊納斯的耶穌會士不以為然,說撐起東西的是一根看不見的線,而非什麼彈簧。
為了一錘定音,波以耳彎了一根 J 形玻璃管,把空氣封在封閉的短臂裡,再往長臂倒水銀去壓它——一格一格地讀出體積與壓強。他找到的那條俐落的反比規則,卻老老實實歸功於另一個人,稱它為「湯利先生的假說」,紀念最先提出它的理查德·湯利。波以耳的本事,是把它量得足夠乾淨,足以證實它。
它為何重要
這是頭一回,有人把無形的氣體釘死在一個硬邦邦的數上。看似什麼都不是的空氣,竟服從一條像鐘錶一樣精確的定律。這條單一、可重複的關係——以及波以耳那種擺儀器、列數據、當眾論證的方式——幫著向世人顯示:新生的實驗科學,到底能做到什麼。
一根你能稱量的彈簧
把封住的空氣,想成打氣筒裡的一根彈簧。把活塞壓到一半,彈簧就以兩倍的力抵抗;壓到三分之一,就以三倍抵抗。波以耳定律說,一團氣體正是這樣一根彈簧——而且不像金屬彈簧,天下任何一種氣體,在任何地方,都服從同一條規則。
它在故事裡的位置
波以耳定律,是氣體定律裡的頭一條。一個世紀後,查理把體積繫於溫度,給-呂薩克把壓強繫於溫度;亞佛加厥(見 avogadro-1811)則把體積繫於分子的數目。四者編在一起,便成了理想氣體定律 PV = nRT。而那個更深的「為什麼」——氣體究竟為何會回彈——要等到動理學理論才到來:那時人們才明白,壓強原來是小到看不見的分子無休止的擂擊,正是道耳頓(見 dalton-1808)與亞佛加厥當年學著去清點的那些分子。
the same air being brought to a degree of density about twice as great as it had before, obtains a spring twice as strong as formerly.