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托里拆利 Torricelli, Evangelista (1608.10.15-1647.10.25)
發佈者:系統管理員 (2012-05-14 17:04:35)
最後修改者:系統管理員 (2012-05-14 23:33:00)
愛因斯坦和英費爾德在《物理學的進化》一書中指出,伽利略的發現以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標誌著物理學的真正開端,他在當時的社會條件下,為爭取學術自由,為近代科學的成長進行了堅持不懈的鬥爭,因而他被稱作科學革命的先驅或"近代科學之父"。他的眾多重要的科學成果和追求科學真理的精神永為後世景仰。
生平簡述
       托里拆利(Evangelist a Tropically,1608~1647)義大利物理學家和數學家。1643年,他設計並完成了托里拆利實驗,發現了大氣壓的存在。

        1608年10月15日,托里拆利誕生於義大利的法恩札。他的父親是一位紡織業主,由於經營情況不佳,家境日衰。父親為了擺脫窘境,無奈將托里拆利送給他的伯父雅可布撫養。雅可布是位學識淵博的修道士,在他的教育和影響下,托里拆利自幼酷愛學習,尤其是在法恩札耶蘇教會學校學習數學和哲學課程時,更是才華橫溢,成績出眾。

  1627年,伯父在朋友的勸說下,把剛剛18歲的托里拆利送到羅馬的銘賢學院,拜伽利略的朋友、早年的得意門生、數學家和水力學工程師卡斯泰裏為師。卡斯泰裏很賞識托里拆利的才華,1628年,卡斯泰裏出版了一本有關流體力學的著作。托里拆利認真研讀了恩師的著作,做了一系列的實驗,逐個驗證書中的重要結論。他發現書中關於液體從容器底部小孔流出的速度與小孔距自由液面的高度正比的結論與實驗不符。經過反覆測量和計算,他總結出水從容器底部小孔中流出的速度與水自由液面處自由落下至小孔處時的速度相等。也就是說,這個速度和從小孔到自由面的高度的平方根成正比,即υ=√2gh。這就是有名的托里拆利公式。托里拆利熱愛和尊敬自己的導師,但他並不盲從。他決定把自己的發現整理成文,公開發表,以便修正恩師的結論。這就是《重體運動論》一文,它是1641年在佛羅倫斯用拉丁文出版的(該文也就是三年後出版的巨著《幾何學論》的第一部分)。胸襟坦蕩的卡斯泰裏看到這篇文章後十分高興,認定托里拆利大有培養和發展的前途,立即決定當他自己的秘書。此文也引起了伽利略的注意,並邀請他到佛羅倫斯一道研究和工作。

  托里拆利還發現從容器側壁的孔裡流出的液體流具有拋物線的形式。
  從1630年到1641年,托裏拆利在伽利略的朋友夏波利手下工作,主要是研究力學。他還磨製望遠鏡的透鏡,研究並證明如何用小玻璃球做顯微鏡的物鏡來提高放大倍數,受到當時及後來的科學家們的讚揚。他製作顯微鏡在微生物界促成了許多重要的發現。他磨製的光學透鏡質量很高,遠近聞名。1924年,人們用光柵鑿定了保存在博物館裡的托裏拆利親手磨製的透鏡,證實了這一點。

托里拆利研究過水動力學,並解決了許多實際水力工程問題。馬赫認為托里拆利實為水力學的奠基人。

  在關於風的成因的爭論中,托里拆利提出風產生於兩個地區空氣的溫度差和密度差的主張,從而澄清了人們的認識。

  托里拆利除了設計並完成了托里拆利實驗、發現了大氣壓的存在外,還發現了托里拆利真空的存在。他還先用水後用酒精把伽利略所發明的、隨大氣壓而變化的氣體溫度計改製成液體溫度計,這種溫度計一直沿用至今。
托里拆利正式被介紹給伽利略是在1641年。自那時起,他便和維維亞尼一同給伽利略作伴。三人相處極為友善,經常討論學術問題,直到三個月後伽利略去世。托斯卡納公國大公聘請托里拆利為宮廷數學家和哲學家,以接替伽利略的職務,並繼承伽利略任佛羅倫斯學院的數學教授。在此後的幾年裡,他在優越的條件下,做了大量的科學工作,在學術界贏得了榮譽。1644年,托里拆利在一封信中描述了他對曲線y=ae (χ≧0)的研究(原稿直到1900年才發表),他求得了高次拋物線,擺線等曲線下面的面積計算公式,對於微積分的發明起到了先導的作用。他還研究了平面曲線理論,曾從幾何上證明瞭:若一族拋物線是一門大炮以相同的初速度但以不同的仰角發射的炮彈的路徑,則這族拋物線的包絡是一條以炮位為焦點的拋物線。 
重大貢獻:
1.大氣壓
2.托裏拆利真空
3.汞柱式大氣壓力計 
發現定理
  
         伽利略生前曾向托里拆利介紹過這樣一個問題,為什麼托斯卡納公爵的礦井中的水,不能吸升到10米以上呢?早在亞裏士多德時代就存在著這樣一種說法:自然界不能容忍真空,即所謂"自然厭惡(或害怕)真空",自然界要盡力去占領所宥沒有空氣的空間,這就是造成"自然厭惡真空"的實在原因。抽水機能抽水就是用這個道理來解釋的。當抽水機活塞上升時,它就應把水帶上來,以使它的下面不致出現沒有空氣的空間-真空。

  但是,"自然厭惡真空"為什麼只在10米以下這個範圍內起作用呢?由於在伽利略時代人們普通認為空氣無重力,伽利略為此曾假設水泵或虹吸管內有一種能提起10米高水柱的"真空力"來解釋上述問題。

  當時的學者巴裏安尼認為空氣有重力,因而能產生壓力,從外面托起水柱。這問題引起羅馬和佛羅倫斯各學派的爭論,並未形成共識。

  托裏拆利,如果真的是"自然厭惡真空",那麼,將一端封閉的長管子中注滿水,按住管口,將管子倒過來,並將管口插入水中,為了不形成沒有空氣的空間-真空,水就不會從管子裡流出來。但是管中的水柱高度事實上不能超過10米,這說明"自然厭惡真空"或"真空力"有個限度呢?還是有什麼別的東西,頂住了這10米的水柱呢?他想,要是有一根透明的管子就好了,可以隨時看清管中水柱的高度。但是,要製造出長10米以上的玻璃管子談何容易!退一布說,既使造成了這樣的管子,那又將如何操作呢?到教堂的鐘樓上去嗎?如何注水?如何翻轉過來?經過長時間的考慮,托裏拆利想到用水做實驗時,管子裡的水柱有10米高,如果用較重的液體呢?汞的比重是水的14倍,因而管子裡的汞注高只需有水柱的1/14。這樣,1米長的玻璃管子不就足夠了嗎!

  1643年伽利略最小的學生維維尼亞將托裏拆利的上述想法付諸於實際。他將一端封閉的玻璃管裡充滿汞,堵住開口,把管子翻轉過來,並將管口插入盛有汞的容器裡。結果管內的汞下降,並且在管內汞面高出容器的汞面76釐米左右時停止下跌。玻璃管封閉端汞面以上的空間即為"真空",後來被稱為"托裏拆利真空"。在此之前,從亞裏士多德到笛卡兒均認為自然界不可能有真空存在。因此,這一發現轟動了世界。可見"自然厭惡真空"並不存在。這個實驗後來就被稱為"托里拆利實驗"。為了證明伽利略所設想的"真空力"也是不存在的,托里拆利利用這個這種充滿汞的玻璃管併立於汞容器中,其中一管的閉端有一大圓球,以便證明這枝管子內有較大的真空力,應可使留在裡面的汞柱更高一些,但是實驗結果是兩枝管子中的汞柱一樣高,說明"真空力"是不存在的。托裏拆利認為這個接近76釐米高的汞柱是由於"空氣壓迫著容器裡的汞面,其力量使汞柱停留在76釐米的高度上,如果用其他液體,則液柱高度隨液體本身的密度而變化"。這樣,托裏拆利就發現了大氣壓的存在並測出了它的數值。這一實驗裝置,也就是最早的汞氣壓計。
科學貢獻
  托里拆利對大氣壓的研究工作和所發明的汞柱式大氣壓力計,不僅在義大利,而且在傳到法國後,都掀起了有關實驗和理論工作的熱潮。原來當時托里拆利正忙於擺線的研究,所以沒有公開發表這一成果。他只是在1644年給在羅馬的朋友裏奇的兩封信裡描述了這一實驗,還說他實驗的目的"不是單純地為了產生真空,而是要製造一種儀器,用它來證明空氣的變異,時而較重的稠密,時而較輕的稀薄"。同年,裏奇在給巴黎學者默森的信仲介紹了托里拆利實驗,在法國科學界廣為傳播,引起很大的轟動。1646年夏,皮爾‧珀蒂在魯昂重複了這一實驗;1648年,帕斯卡先後在巴黎教堂的尖頂上和法國南部的多姆山重做了這一實驗,都成功地證實了托里拆利的這一重大發現。