(08)真理的足迹-第13部分
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托里拆利是17世纪意大利的数学家、科学家。公元1608年生于意大利
的华耶查城，自幼酷爱科学，20岁负籍罗马，在著名的数学家、伽利略最好
的朋友卡斯德利的门下攻读数学。卡斯德利始终不遗余力地在他的学生中传
播伽利略的学说，因而年青的托里拆利十分尊重伽利略，自称为是“伽利略
分子”。在这种意义上，可以说他是杰出科学家伽利略的学生，是伽利略科
学事业的继承人。
托里拆利坚决反对亚里士多德关于“自然界憎恶真空”的说法，他决心
用实验来驳倒它。1643年，他和助手维维安尼，做了一个关键性的实验。他
们把水银注入一头封闭的玻璃细管内，用手指压住开口一端，然后把玻璃管
倒过来，使开口的一头插入盛有水银的杯里，当他们把手指拿开之后，水银
并不是全部流到杯里，而是水银在降落了一段后，便稳定地保持在一个高度，
再也不继续下降。这显然是有一种外力使水银保持在玻璃管内，托里拆利认
为，这种外力就是水银面上的空气压力。如果没有空气压力，水银应该由管
中全部流出。经过多次实验，结果都是一样。
不仅如此，托里拆利还反复测量了玻璃管中水银柱的高度，结果都是76
厘米。这说明，空气的压力刚好等于管内水银柱高所表征的压力。大家知道
水银的比重是水的13。6倍，如果把玻璃管中的水银换装成水，那么空气压力
所能支持的这一高度则应是： 76厘米×13。 6=1033。 6厘米=10。 336米。
这就十分清晰地解决了托斯坎斯基住宅内那口深井的水，为什么抽到10米就
再也上升不了的原因。这是因为井的深度超过了10。336米。
托里拆利的实验解决了自伽利略以来许多人绞尽脑汁而不得其解的难
题。这个实验不仅驳倒了亚里士多德的“自然界憎恶真空”的观点，证明了
空气压力的客观存在，而且取得了定量测试空气压力的数值。托里拆利在这
些实验的基础上，成功地制造了水银气压表。
另一个用实验证明空气压力存在的科学家是法国的巴斯噶。巴斯噶是托
里拆利的同时代人。当巴斯噶获悉托里拆利的实验之后，曾于1647年11月
15日写信给他的助手皮埃，信中说：“你是会了解的，如果在山顶上水银柱
的高度显得比山麓低些，那末就可以从中作出结论，这种现象的唯一原因，
是空气的重力。”
根据巴斯噶的指示，皮埃制作了两个水银气压计，一个要放在法国中部
的皮依·德·顿山的山麓，另一个手拿着沿着斜坡向上爬山，并注意观察水
银柱的高度变化。随着爬山高度的增加，皮埃观察到水银柱逐渐地慢慢下降。
巴斯噶得到实验报告之后，立即把实验结果和结论发表于世，产生了很大的
影响。巴斯噶和皮埃的实验，把托里拆利的工作向前推进了一步。
在用科学实验来证明空气压力的科学家中，还有一位颇为著称的人——
德国科学家冯·葛里克。葛里克原是一位军需官，1646年他被任命为普鲁士
马德堡市的市长。葛里克对于科学研究有着强烈的兴趣，他为了证实大气压
力的存在，先后花费了4000镑的巨款，投入了大量的时间和精力来从事实
验。葛里克从1651年开始进行研究，终于在1654年获得成功。
1651年，葛里克首先把密封的水桶中的空气抽出，结果发现木桶被大气
压力压炸了。接着，他又用薄钢片做了一个球，抽去其中的空气，结果铜球
也被大气压力压扁了。后来，葛里克又精心制作了两个直径为37厘米的铜质
半球，这两个半球不但十分坚固，而且做得十分精密。一个半球上开孔，孔
上设有活栓，两个半球合起来时，吻合得非常密贴，几乎完全不漏气。葛里
克发现，当球内有空气时，两个半球很容易分开；如果将球内空气抽出后，
由于球体受到外表单方面的大气压力，造成压力不平衡，因而很难把两个半
球分开。
1652年，葛里克为了改进真空技术，发明了空气卿筒，他利用这架自制
的抽气机，可以把钢球内部的空气抽纯到一定的真空度。这就为日后的大气
压力实验，提供了重要保证。
当一切准备工作都就绪之后，1654年，葛里克决定当众表演他精心设计
的实验。这一天，跑来看热闹的人很多，当时的皇帝和宫廷中的达官贵族也
都前来观看。葛里克先把那个抽成真空的钢球放在地上，同时吩咐手下的人
在两个半球的活栓上各系上八匹强有力的大马，然后叫这16匹马分别朝相反
方向用力地拉。可是，这16匹马用尽了气力却无济于事，铜球依然如故，结
合紧密。最后，又增添了4匹马，用20匹最精壮的马来拉，才把这个铜球拉
开。拉开的那一刹那，外面的空气突然冲入球内，发出一声巨响，在场的人
都被吓了一大跳。这个实验明白无误地证明，空气不但具有压力，而且压力
之大，是十分惊人的。
葛里克的马德堡半球实验。否定了亚里士多德的“自然界憎恶真空”的
学说，证实了真空是可以办到的，从而启发人们去进行真空技术的研究。葛
里克发明的抽气机，后经波义耳的改进，被用来研究“空气的弹力和重量”
问题，并由此导致波义耳发现了气体的体积随压强而改变的客观规律，对科
学发展起了一定的推动作用。
托里拆利、巴斯噶以及葛里克的科学实验，犹如一位公正无私的法官，
以它极大的权威性，结束了“空气是否有压力”的争论，否定了亚里士多德
的错误观点，使人们对空气的认识与研究，大大向前迈进了一步。
水成论与火成论
现在我们都知道，地球表层的岩石圈，是由三种不同的岩石构成的：“水
成”的沉积岩，“火成”的岩浆岩以及由这两种岩石经过变质作用而形成的
变质岩。这种岩石知识，已成为常识而为人们所共知。然而，它的得来并非
易事，是人类经过长期的实践才总结出来的。在地质学史上，围绕着岩石的
起源与成因，特别是针对火成岩的成因，曾展开过一场“水成派”和“火成
派”的激烈争论。
水成派的代表人物维尔纳，是德国萨克森地方一个名叫弗莱堡矿业学院
的教授。他出身于矿业家庭，300年来，其家族都和采矿事业有着联系。维
尔纳继承家庭传统，酷爱地质学，并在地质地论的研究上作出了杰出的贡献。
他首创了矿物分类法，提出了按成分区别岩石的方法，并使地质科学系统化。
而且，地质学作为一门课程也是由维尔纳首先在1755年开设的，当时这门课
程的名称叫做“地知学”。维尔纳也因此成为18世纪欧洲的一位享有盛誉的
地质学家。维尔纳虽然一生没有发表多少著作，然而，由于他的讲课内容丰
富，语言动人，因而很多人纷纷从欧洲各国，慕名来到弗莱堡矿业学院聆听
维尔纳的讲课。不多久，在维尔纳的周围就逐渐形成了一个地质学派，像著
名的地质学家布赫、洪堡德等人都是他的学生。
维尔纳根据化学家波义耳关于饱和溶液中晶体沉淀的实验，建立了岩石
起源与成因的理论。维尔纳认为，地壳上的所有岩石，都是从原始的海水或
洪水时期沉积而成的，甚至像玄武岩、花岗岩一类的岩石，也是借助于水中
的各种盐类的结晶作用而形成的。他否认在漫长的地球史上有过火山的现
象，而且把现代火山活动解释为煤和硫磺在地下燃烧的结果。
维尔纳的理论很快被传播开来，并成为当时地质学上的权威学说。以维
尔纳为首的学派，由于主张一切岩石都是在水中沉积而成的，因而被人们称
之为“水成派”。
在生产实践中，用维尔纳的岩石成因理论来解释沉积岩的生成，基本上
是正确的；但把花岗岩、玄武岩这样明显的火成岩也说成是水成成因，则是
说不通的。1788年，出了个与水成派针锋相对的火成派代表人物——英国地
质学家哈屯。哈屯原先学医，但他从未行过医，反而对地质学发生了浓厚的
兴趣。他依靠经营农业而赚了大量的钱，这使他有可能潜心研究地质，并到
14个国家进行地质考察。科学的实践活动使他扩大了知识眼界，并促成他在
地质学理论上有所建树。哈屯强烈地反对维尔纳的水成论，提出火成岩是由
高温的岩浆冷却结晶而成的观点。哈屯认为，地球犹如一个熔炉，地球内部
是炽热熔融的岩浆，而地球的坚固表面则是这个大熔炉的炉壁，熔炉封闭得
很紧，只有一些火山口算是安全的阀门。哈屯指出，熔融岩浆从地下的裂缝
中迸发出来，经过冷凝固化而形成结晶岩层，如玄武岩、花岗岩就是这样形
成的。由于哈屯引进岩浆作用，并用以解释火成岩的成因，因而人们称之为
“火成派”。
哈屯的理论刚一露头，就遭到水成派的围攻，两个学派展开了激烈的论
战。双方的争论不仅持续了好几十年，而且，斗争情况也越演越烈。有一次
在苏格兰爱丁堡附近的小山下，两派开了一次现场讨论会。讨论会从争论开
始，继而发展到互相指责和谩骂，最后达到了白热化的程度，竟用拳头代替
争辩，相互殴打了一阵，方才散场，真可谓“水火不相容”！
然而，单纯理论上的争辩并不能解决问题，武斗更不是解决问题的办法，
只有实践才是检验理论真假的唯一标准。火成派为了证实自己的学说，进行
了广泛的野外地质考察和科学实验。哈屯在实践中发现岩脉的存在，并看到
穿插在其他岩石与围岩相接触的地方，有明显的烤焦现象。哈屯的好友，英
国业余科学家霍尔爵士，在1790年至1812年共22年的时间里，用一系列的
模拟实验，有力地支持了哈屯的学说。
一天，霍尔在利斯的一个玻璃厂里看到了一个很有启发的现象：如果让
熔融的玻璃非常缓慢地冷却，它就会结晶化，并变成不透明体，而如果让熔
融的玻璃迅速地冷却，它就会变成透明状态。这种现象正如我们日常制造白
糖和冰糖一样。白糖就是在冷却较快，结晶较速的情况下形成的，如果我们
将白糖做成极浓的浓溶液，控制它的温度慢慢地下降，它就能在一定的温度
条件下进行结晶，生成粗大颗粒的冰糖。霍尔认为熔岩的形成，正和在玻璃
厂里所看到的现象相类似。于是他花费了不少的资金和精力，从遥远的维苏
威火山，运来大量的火山熔岩，放在一个炼铁工厂的高炉中进行熔化。实验
证明：如果让熔融岩石慢慢地冷却，就得到像玄武岩那样的结晶质岩石；如
果让它突然冷却，则得到玻璃状的岩石。霍尔这个模拟实验，生动地揭示了
火成成因机制。
霍尔还把石灰岩放在一个封闭的容器中加热，实验的结果表明，它并不
像水成派所说的那样，会被分解掉，而正是像哈屯所指出的那样，在冷却后
变成了现在被称为变质岩的大理石一类的岩石。霍尔又把散砂装在一个盛满
海水的铁壶中加热，这些散砂就变成了像砂岩一样坚硬结实的岩石，这些模
拟实验的结果都支持了哈屯的岩石成因观点。
接着，地质学家德马列在法国中部的一个采石场里，发现了黑色的典型
的玄武岩，他顺着这个岩体追索下去，最后到达一个火山口，这就更有力地
证明了玄武岩的火成成因。德马列不愿作口头上无休止的辩论，面对前来和
他争论的人，只是说：“你去看看吧！”
后来，在冰岛上发生了大量炽热的玄武岩流喷溢地表，铺盖了大片地区
的事件。这件事轰动了西北欧，也给水成派提出了严峻的挑战。
在大量的科学事实面前，水成派维尔纳的大弟子布赫，开始怀疑自己老
师的观点。后来他到德国、意大利的一些火山地区亲自作了详细调查研究，
发现这些火山地区并没有维尔纳所说的煤层，自然更谈不上什么煤的燃烧
了。另一个大弟子洪堡德远渡重洋，到拉丁美洲进行地质考察，他登上厄瓜
多尔首都附近的皮晋查火山，亲自俯伏在火山口的边缘进行观察，得到了许
多第一手资料。在事实的教育下，布赫和洪堡德认识到火成岩的水成成因说
是错误的，转而赞同哈屯的观点。另外，英国剑桥大学的地质学教授席基威
克也转变了立场，他最初赞同水成派的观点。曾坦率地表示过，自己“满脑
子都是维尔纳的思想，甚至准备牺牲自己的见懈，接受维尔纳所有的信条—
—做一个维尔纳的奴隶”，然而，当他和他的好友罗德里克、麦其生一同前
往欧洲各地进行地质考察之后，发现原生岩层并不像维尔纨所说的那样是在
水中结晶而成的，而是熔融岩石的固化或凝固的结果，从而接受了哈屯关于
火成岩的成因学说。席基威克公开宣称，由于他追随维尔纳，使他白白浪费
了好几年的宝贵光阴……，就这样水成派开始从内部瓦解了。
