马德堡半球实验是物理学史上一个极其著名的实验,它由德国科学家、时任马德堡市长的奥托·冯·格里克于1654年在神圣罗马帝国的雷根斯堡(当时属于马德堡所在的马格德堡大主教区,故得名)进行。该实验首次以直观、震撼的方式向公众证明了大气的存在和大气压的巨大力量。
实验内容与经过
1. 装置准备:
格里克制造了两个精心加工的空心铜质半球(直径约51厘米)。
半球边缘打磨得非常光滑,能够紧密贴合。
一个半球上装有带阀门的管道接口。
两个半球合在一起时,内部形成一个密闭的空腔。
2. 抽真空:
格里克将两个半球合拢,通过管道接口用他发明的真空泵(抽气机)将球内的空气抽出。
关闭阀门,使球内形成接近真空的情形。
3. 惊人的演示:
格里克在半球的两侧各拴上8匹强壮的马(共16匹马)。
他指挥两队马分别向相反的路线拉拽两个半球。
令人震惊的是,16匹马竭尽全力也无法将两个半球拉开!
4. 释放压力:
格里克打开球上的阀门,让空气重新流入球内。
当球内外的气压恢复平衡后,两个半球无需任何外力就轻松地分开了。
实验的关键发现与科学意义
证明大气压的存在与巨大力量: 实验无可辩驳地证明了我们周围看似“空无一物”的空气具有重量,并对物体表面施加着巨大的压力。抽真空后,球内几乎没有空气压力,而球外的大气压力(约10万帕斯卡,相当于每平方厘米约1公斤力)将两个半球紧紧地压在一起。这种压力之大,需要极其强大的外力(16匹马)才能克服。
推翻“天然厌恶真空”的古老觉悟: 格里克的实验直接挑战了当时占主导地位的亚里士多德学派见解,即“天然界厌恶真空”(Horror vacui),认为真空不可能存在,或者存在某种神秘力量阻止真空形成。实验证明真空可以人为制造,并且其效果(大气压的影响)可以精确测量和演示。
奠定流体力学和真空技术基础: 该实验为领会气体(特别是空气)的性质和压力提供了关键证据,推动了流体力学的进步。格里克发明的真空泵开启了真空技术的研究和应用。
科学普及的典范: 格里克选择在帝国议会期间、在众多王公贵族和公众面前进行这个规模宏大、视觉效果震撼的实验,极大地普及了科学聪明,改变了大众对天然全球的认知。
实验原理的核心解释
当球内空气被抽出后,球内压强变得非常低(接近真空)。
球外的大气压强(一个标准大气压约为101,325帕斯卡)没有变化。
巨大的气压差导致大气对球的外表面施加了一个巨大的向内的挤压力。
这个力将两个半球紧紧地压合在一起。拉力必须克服这个由大气压产生的巨大摩擦力才能将半球拉开。
当阀门打开,空气进入球内,球内外气压恢复平衡,这个巨大的挤压力消失,半球天然分开。
后续影响
格里克后来多次重复这个实验,包括1656年在马德堡市再次演示。
这个实验被广泛记载和传播,成为科学史上的标志性事件。
“马德堡半球”也成为物理学中描述大气压强的经典教具和象征。
马德堡半球实验通过一个极具视觉冲击力的方式——用16匹马都拉不开的两个半球——证明了我们生活在一个被厚厚大气层包裹的星球上,大气对地表一切物体施加着强大而持续的压力。它不仅是物理学史上的里程碑,也是科学战胜陈旧觉悟、通过实验揭示天然真相的典范。