人类在第一次进入太空之前,是咋知道太空中没有空气/氧气的?确实,我们没有去过一个地方确实不知道那里的情况。但有幸得是,在我们地球到太空之间的这段区域完全是向我们敞开的,因此我们可以通过间接的分析和直接的观察去了解一些情况。其实想知道太空没有空气对我们人类来说并不难。
我们每个人可能都有过登山的经历,头一天心情激动满怀期待,第二天一大早就赶紧起床,为徒步登山打包食物和装备,然后坐车欣赏沿途的风景。这一路上包括登山的过程中都能呼吸到新鲜的空气。当然这里说的山高度至少要在3000米以上。
然而,一旦你到达了山顶,就会发现其他人呼吸变得有点困难。也许你身体素质好,但过了一段时间,你也觉得有点呼吸困难了!
因此通过简单的一次旅行,任何人都会得出一个正确的结论:在山顶上呼吸困难与高空中缺少氧气有关。
人们对大气压力和真空的认识
早在公元前350年,人们就首次提出了太空中没有氧气的理论。希腊天文学家亚里士多德提出,自然界厌恶真空,这一理论后来被称为“恐怖真空”理论。意思就是说,自然界不允许真空的存在,很讨厌它,我们无法在局部空间中将空气抽走,因为亚里士多德观察到,如果我们抽走水管中的空气,水就会补充进来并占据空间。
后来的原子论否定了这一理论,直到17世纪,太空中没有氧气的理论才被科学证据所证实。
我们都听说过气压计?这是一种用来测量气压的仪器。气压计是由一位名叫埃万杰利斯塔·托里拆利(Evangelista Torricelli)的意大利物理学家发明的,他实际上是伽利略的学生。伽利略曾在空中做过许多不同的实验,他知道了空气有重量,也有某种力量可以抵抗真空的形成。伽利略死后的一年,托里拆利就成功地完成了实验,并创造了一种可以产生局部真空的仪器!
托里切利做了更多的研究,大约在1644年,他得出结论,空气或大气会产生压力,因为空气被某种神秘的东西拉或推到地球表面。他的原话是这样说的:“我们是生活在空气的海洋下面的,空气的重量是用实验可以证明的。”
几年后的1646年,布莱斯·帕斯卡(以他的概率论而闻名)也对大气压进行了实验。帕斯卡发现真空存在于现实世界中。两年后,也就是1648年,帕斯卡说服他的姐夫弗洛林·佩里耶带着水银气压表爬上了法国的圆顶山。他们发现,当我们远离地球表面时,大气压力就开始下降。一直以来,在高海拔地区大气压力下降的原因是未知的。
德国科学家奥托·冯·格里克在1650年制造了第一台真空泵。他证明了由空气重量产生的力非常大,两组马都无法把真空的两个半球分开,这就是著名的马德堡半球实验。奥托还注意到,地球的大气层像一个外壳一样包围着地球,密度随着海拔的升高而逐渐下降。他得出结论,在离地球表面一定距离的地方一定存在真空。
影响近代人类的科学原理,它解决了当时人们面临的所有问题
1687年,历史上最有影响力的科学家之一,艾萨克·牛顿爵士在他的自然哲学的数学原理中提出了万有引力理论。这时一个跨时代的理论,至此人们在之前所进行的所有实验、得出来的所有结论都找到了科学上的依据。
感谢传说中的那个苹果!否则,我们可能需要很长的时间才会发现引力的存在。引力是我们人类以及我们所能看到的一切依附在地球表面的原因。如果没有地心引力,所有的东西都只会四处漂浮。而且现在还有人会问,为什么宇宙中的星系会漂浮在太空中?这种问题很幼稚。
引力除了把我们留在地球表面之外,在许多其他自然现象中也扮演着重要的角色。
为什么太空中没有空气/氧气?
现在让我们考虑一些简单的问题,如果地球有引力,引力是让所有物体与地表相连的因素,那有没有可能引力是我们感受到大气压的原因?的确如此!上文托里拆利认为有种神秘的东西,现在看来这种神秘的东西就是引力。引力将大气(或空气)拉向地球表面,造成大气压力。
如果是这样的话,为什么我们越往上走气压越低呢?当我们上升到大气层的高处时,我们正在远离地心,因此也就远离了地球的引力场。我们越往上走,引力的拉力就越小,所以在离地球一定的高度或距离上,引力就不再作用于任何物体,它们就会简单地飘向太空。
这种现象也就发生在氧气的身上。氧气集中在大气的低处,越往高处越少。这就是为什么登山者和徒步旅行者在山顶呼吸困难的原因,因为那里几乎没有氧气。我们越往高处走,空气越稀薄。
当引力不再有力作用时,空气分子(氧气)就不再被吸引到地球上。因此,分子之间的距离会越来越远,导致密度降低,压力降低。这就是我们认为的没有空气或者真空。
科学家、物理学家和天文学家就是这样认识到太空中不存在空气/氧气的,通过逻辑推理和一些基础实验。
当然,科学家发现这个问题并不像我们讨论这个问题那么简单。在得出这个结论之前,许多伟人都参与其中,并进行了大量的实验。例如,蒙高菲埃兄弟在热气球上进行的实验有助于得出这样的结论:当我们远离地球表面时,空气(也就是氧气)会不断的减少。
在17世纪到19世纪之间,许多关于空气在压力、温度、分子等方面的行为的理论和定律被阐述了出来。这些定律包括波义耳定律、查尔斯定律、阿伏伽德罗定律、理想气体定律等等。所有的定律和理论都在发现太空空无一物的自然真理中发挥了巨大的作用。