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原子论

在西方文化,一般认为原子论源于德谟克利特(Democritus,约460BC-约370BC)的学说。我国的学者也很喜欢说墨翟(479BC-381BC)提出了原子论,这样就“人有我有”,引以为豪了。事实上,在世界观层面上的原子论,只是认为万物最终会达到一个不可再分的极限,也就是说,是离散的。它的对立观点就是万物是连续的,可无限细分的。谁只要是世上第一个涉及到这个问题,有50%的机会他会是原子论者,这有啥难的。

正如墨翟在哲学上很难跟其他诸子处于同一地位一样,德谟克利特的原子论也不是什么主流。后来的亚里士多德(Aristotle,384BC-322BC)就在自己的著作里反对了原子论,其前提是“大自然厌恶真空”,而在原子论观点的自然推论是,原子与原子之间的空间是真空:既然万物都是原子组成,那原子与原子之间如果有任何东西,它必然属于“万物”。关于“大自然厌恶真空”的准确理解,建议大家参考我以前的一篇关于真空文章

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关于真空的美丽往事

Horror vacui是一句拉丁文,horror是害怕,vacui是真空。这句话源于亚里士多德的陈词滥调:“大自然厌恶真空”。在政教合一的年代,这也是一条科学规律,就跟“重的铁球先着地”一样。在政教合一的年代,科学规律又同时是教义,并不允许任何挑战。这种情况现在看起来非常可笑。

在艺术上,horror vacui是指一种拼命把画纸填满,不留一点儿空隙的艺术倾向。horror vacui的作品一般都画得密密麻麻,而且多为重复,似乎那些内容完全是为了尽快把空隙填满而,并不讲究什么创意。有时填充的内容倒是不重复,五花八门,什么抄的书啊,乐谱啊,各种图形啊一股脑地填进去。

我妈说,小时候带我去学画画,老师布置作业是回去画一个钱包。我回去,画了一个钱包,觉得意犹未尽,于是不断地画,每个钱包都是不一样的,并且注明了这些钱包是几岁用的,我所能知道的最老的岁数是99岁,中间的岁数也是根据我对二位数的掌握情况随机编一个,但钱包总之是要画满整张纸。结果,全班只有我一个人的作业是两个以上钱包的,让老师哭笑不得。看来我小时候有很强的horror vacui倾向。

现在,我的房间的凌乱程度也颇有horror vacui风格。

说回到科学规律。一直到伽俐略都还相信大自然厌恶真空,具体地说就是任何真空的状况是不可能自然维持的,要想维持真空,人就要跟自然对着干。直到1643年他的学生托里拆利(Evangelista Torricelli),发现了气压计上面的一小段空的部分应该是真空,实验证实了真空可以不经人力而自然存在的,否定了大自然厌恶真空的“定律”。

托里拆利的气压计被帕斯卡拿去登山用了,不小心被他发现了“大气压”的存在。大气压可以被气压计测出来,显示一个数值,单位量纲(N⋅m-2)是帕斯卡搞清楚的,所以就叫帕斯卡。不过,光有个测量数值,仅仅是间接暗示大气压的存在,为了直接证明大气压的存在,马格德保市长居里克在里根斯堡举行了著名的马格德堡半球实验(Magdeburg hemispheres)。不过,在当时要弄出这样的真空度来,还是有一定难度的。在此之前人们一直用水泵。居里克自己发明了有点像今天的单车打气筒的抽气泵,并用这个泵给半球抽气,才达到了满意的效果。

居里克发明了这个抽气筒,当时还贵得一塌糊涂呢。没多少搞科学的人士买得起。后来,波义耳自行设计了一个,然后送给了皇家学会,之后又做了两个自用。在当时,全世界除了波义耳的这三个泵之外,就还有不超过四个泵了。波义耳的泵实际上是胡克动手制作的,由于设计得太苛刻、太复杂,这个泵基本上只有胡克本人才玩得转(瞧下图那架势)。靠着胡克的帮忙,波义耳做了很多关于真空的实验,包括著名的波义尔定律pV=常数。

波义耳还把很多动物放到玻璃缸里抽真空看它们怎么死,经过一系列重复的、严谨的实验,波义耳得出的一个结论是——动物的生存是需要空气的。波义耳把他的所有关于真空的实验都写在了一本书里面,书名叫:New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air, and its Effects (Made, for the Most Part, in a New Pneumatical Engine)。大家都别奇怪,那个时候时兴用很长的书名。

有一个画家叫Joseph Wright的很看不惯波义耳以及当时其他科学家的残酷行为,以波义耳的其中一个“真空杀戮”实验为题材,画了一幅油画,叫An Experiment on a Bird in the Air Pump,这是很著名的油画。油画中的鸟正在扑扇着双翅挣扎。大家可以看到画中不同人物的不同表情。右边那两个女的自然是不堪如此惨象,其中一个简直背过脸去。左边的一对情侣却只顾着互送秋波。下面的两个绅士则带着好奇的眼神看着那鸟。而画面的主角——主持实验的科学家,则用挑畔的眼神直盯着你,似乎在拷问观画的我们,到底要不要进行实验,杀死那只鸟(建议点击看大图)。

桌上摆放的物品也很有代表情,比如,右边的桌角上放着一个马格德堡半球,其余的物品还有温度计、蜡烛等。当然,最显然的就是那个带摇杆的抽气泵了,画中的形式应该是忠实地体现了当时的抽气泵的主流样式。桌子中间的大杯子里面泡着的是一个骷髅。骷髅在静物绘画里的出现是十六、十七世纪北欧作品的一种现象,叫做vanitas(虚无)。Vanitas的作品一般是通过画一个髓髅、蜡烛、或者腐烂的水果、泡泡、沙漏等等来表现生命的脆弱和短暂,以及死亡的必然和突然。在这幅真空实验里出现vanitas,跟缸内的鸟不断挣扎的形象形成了强烈的对比。

在电汽化时代之前的真空泵还有Geissler泵和Sprengel泵。你能看出它们的原理吗?它们都基于托里拆利的气压计原理。

H. Geissler是一个物理学家,同时也是一个烧玻璃的熟手技工。他能烧出各种奇形怪状的玻璃管。1857年,他把用他的Geissler泵给装有电极的玻璃管充进稀有气体,抽真空,然后密封。通电之后,气体被电离而发出荧光。而且不同稀有气体的颜色是不一样的。结合玻璃管的特殊造形,这样的光管非常美观。于是大家都把这种电光管称为Geissler Tube。跟几百年前居里克发明的抽气筒不同,Geissler Tube这种新发明卖得倒是挺便宜的。

Geissler Tube的发明,直接导致了阴极射线管(cathode ray tube,CRT)——电视机的产生。真空带领着人类进入了电汽化时代。此后,电动的泵成为了主流。

直到今天,人类对真空的认识一直没有停止,但我对真空的认识就只停在了波义耳时代。据说基于量子力学的真空存在着量子涨落,因为完全的绝对的虚无不符合不确定性原理。在量子力学理论中,真空对应着一种最低能量,称为零点能量。(如果我说得不对,请大家回复指正。)

随着弦论的建立真空还有N多种,以至于形成了一道景观(landscape)。这种“景观”到底是什么样子的呢?也许如下图所示,也许我们三维世界的生物根本没办法想象……