关于空气弹性的新物理-力学实验
把气体压进一半的空间,它就反推两倍的力——压强乘体积,守恒不变。
用大拇指堵住打气筒的出气口,再往下压——你压得越狠,里头封住的空气就把你顶得越凶。玻意耳找到了这股反顶背后那条精确的规则。
压一压,它就回顶——而且有准数
空气有一股弹性,玻意耳称之为「空气的弹性」:它向外挤压,你越压它,它顶得越凶。他的发现,是「凶」出了多少。
把一团封住的空气压进一半的空间,它就回顶整整两倍的力。压进三分之一的空间,回顶三倍。体积往下,压强往上,步调分毫不乱——于是体积乘压强,永远是同一个数。这就是玻意耳定律。
一根管子、一位批评者,与一条借名而来的假说
罗伯特·玻意耳是位富有的英裔爱尔兰绅士,也是皇家学会的创建人之一,在牛津做研究,身边有位年轻助手罗伯特·胡克,替他造了一台抽气机。1660 年,他发表实验,主张空气是有弹性的。一位名叫弗朗西斯·莱纳斯的耶稣会士不以为然,说撑起东西的是一根看不见的线,而非什么弹簧。
为了一锤定音,玻意耳弯了一根 J 形玻璃管,把空气封在封闭的短臂里,再往长臂倒水银去压它——一格一格地读出体积与压强。他找到的那条利落的反比规则,却老老实实归功于另一个人,称它为「汤利先生的假说」,纪念最先提出它的理查德·汤利。玻意耳的本事,是把它量得足够干净,足以证实它。
它为何重要
这是头一回,有人把无形的气体钉死在一个硬邦邦的数上。看似什么都不是的空气,竟服从一条像钟表一样精确的定律。这条单一、可重复的关系——以及玻意耳那种摆仪器、列数据、当众论证的方式——帮着向世人显示:新生的实验科学,到底能做到什么。
一根你能称量的弹簧
把封住的空气,想成打气筒里的一根弹簧。把活塞压到一半,弹簧就以两倍的力抵抗;压到三分之一,就以三倍抵抗。玻意耳定律说,一团气体正是这样一根弹簧——而且不像金属弹簧,天下任何一种气体,在任何地方,都服从同一条规则。
它在故事里的位置
玻意耳定律,是气体定律里的头一条。一个世纪后,查理把体积系于温度,盖-吕萨克把压强系于温度;阿伏伽德罗(见 avogadro-1811)则把体积系于分子的数目。四者编在一起,便成了理想气体定律 PV = nRT。而那个更深的「为什么」——气体究竟为何会回弹——要等到动理学理论才到来:那时人们才明白,压强原来是小到看不见的分子无休止的擂击,正是道尔顿(见 dalton-1808)与阿伏伽德罗当年学着去清点的那些分子。
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.