大气压的应用

　　在人活动的周围有空气存在，这是古代中国人早已知道的事实。但是，要人们认识到大气有压力，却并非是一件容易的事。尽管在生产生活中他们已有许多发现和利用大气压的实例，但是真正认识到大气压的存在却是很晚的事了。

　　在科学技术上称为“虹吸管”的东西，古代人称它为“喝鸟”、“过山龙”。实际上，它就是一根弯曲的空心竹筒。只要在开始时将该竹筒造成局部真空，插入水池中，竹筒就能将池水引上岸，这是对大气压存在的证明之一。早在西汉初期，汝阴侯夏侯灶（公元前？-前165年）墓中的竹简就曾记述，这样的一根封闭竹管使井中之水自汲而上。接着，东汉宦官张让（公元？-189年）曾命其“掖庭令”毕岚造喝鸟，以便将路边沟渠之水引至路上，用以喷洒路面，“以省百姓洒道之费”（《后汉书》卷七八）。大约从北魏开始，古代的一种计时器铜壶滴漏上开始使用喝鸟，以便将上壶水引至下壶。显而易见，当时人们已以多种方式利用了大气压的作用。再如，人们创造的喝鸟隔山取水的灌溉法。唐代杜佑对此记述道：

　　以大竹筒雄雌相接，勿令漏泄，以麻、漆封裹，推过山外。就水置筒，入水五尺。即于筒尾取松桦干草，当筒放火。火气潜通水所，即应而上。（《通典》一五七卷）

　　杜佑在此记述了制造虹吸管的材料、方法。所谓“以火气潜通水所”，用现代话说，就是给竹筒内的空气加热，使其膨胀后而造成局部真空。其中，未曾述及的一点小诀窍是，加热后，要在竹筒出水端用干草烬泥封固。过一、二个时辰之后，竹筒内空气冷却了，再拔开干草烬泥，水立即就流出来了。当然，这个记载还缺少一个很重要的物理事实，虹吸管入水处与其弯曲顶端的高度差不得超过一个大气压所容许的高度，即不得超过9.8米。应用喝鸟，可以引水过山，灌溉土地。在军事上，也有重要意义。宋代曾公亮在《武经总要·前集》卷六《寻水泉法》中对此也作了详细的记载。

　　而现代中学生做这一物理实验，往往以滴量管演示大气压的存在。滴量管，即是两端开口的玻璃管。管子吸入水后，手指闭其上管口，液体便可以保留在管内，甚至可以提起玻璃管，将液体从一处移到它处。如此演示大气压存在的现象，在南北朝成书的《关尹子·九药篇》中也有记述。它写道：

　　瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下。

　　唐代王冰在《黄帝内经 ·素问》卷二十注中也写道：

　　虚管溉满，捻上悬之，水固不泄。

　　宋代俞琰在《席上腐谈》中也说：

　　即如铜水滴，捻其窍则水不滴，放之则滴。

　　所谓“铜水滴”，也就是一根小铜管，被用作滴水到墨砚上的小工具。在中国的传统文化中，穷书生桌上的一支小竹管便是极普通的滴量管了。

　　对于大气压的应用，古代人作出了如此种种超前的发现。然而在理论方面的探讨则是肤浅的、直观的。以滴量管的现象为例，《关尹子·九药篇》解释说：

　　盖（气）不升则（水）不降。井虽千仞，汲之水上，盖（气）不降则（水）不升。

　　王冰在《素问》注中更详细地阐述道：

　　……水固不泄，为无升气而不能降也；空瓶小口，顿溉不入，为气不出而不能入也。由是观之，升无所不降，降无所不升，无出则不入，无入则不出也。

　　可见，古代人认为，滴量管所以能吸水而入，是由于其中空气出尽或被排斥的结果；而一旦空气进入管中，水就被排斥出去。水与空气在管中彼出此进，互相交换其存在的空间。从而形成了虹吸管、滴量管的吸水现象。这经验之谈似乎有理。实质上，古代人还未能将管内的升水与管外的大气压，这二者貌似分开的现象统一起来。虽然也懂得上述实验的关键在于管内是否有空气，说明他们对事物的本质已有所认识，但终究没有获得大气压的理性认识。直到明代，庄元臣还在其《叔苴子·内篇》一书中写道：

　　注水入瓶，闭一窍而水不得出，气守之也；置水于盆，覆匏而水不得入，气拒之也。

　　庄元臣仍将瓶（或匏）内外现象分得如此清白，而未将它们联系起来思考问题的本质。自然界里的空气存在压力的理论就这样在古人的鼻子尖下悄悄地溜走了，而未曾在古人的思想中留下认识的痕迹。多么遗憾！

　　庄元臣之后不久，方以智的学生揭暄在注《物理小识》时才以实验性的叙述初步表达了气体有巨大压力的概念。他写道：

　　万斛之石不能压一气球，必气出尽而后合。

　　气球是中国的传统制品。一种常用来协助渡水的气球，称为“浮囊”。它为历代将领和兵家所重视。据载，东汉大将邓训（公元40—90年）在西北与羌人作战时，曾以“缝革置筏”而战胜羌胡军。所谓“缝革”也就是制造气球。揭暄所写下的文字表明他可能演示过巨石压气球的实验。气体能承受巨大压力，至少可以说，气体有压力的思想从此为一些学者所知。

　　《物理小识》一书初稿于1631年，方以智作序于1643年。1649年，方以智又将其收集的治病药方补入，并开始由其子方中通汇编成书。1664年刊刻出版。揭暄作注的时间当在1643—1649年间。它比格里克（otto von guericke，公元1602—1686年）于1654年演示马德堡半球的气压实验要早几年。格里克将16匹高头大马，分成两组拉开被抽成真空的两个金属半球，演示了大气压的存在。当然，他的实验比揭暄的阐述具有更强的说服力。