第1章　爆米花和火箭—氣體定律

玉米粒的微型快鍋


　　廚房裡發生爆炸通常不是什麼好事，不過有時候小小的爆炸能幫你烹製美食。幹玉米粒含有多種營養成分(碳水化合物、蛋白質、鐵和鉀)，但它們都被堅韌的外殼緊緊包裹在緻密的種粒裡。要得到這些營養成分，把玉米粒變成能吃的東西，你就得想點極端的法子，比如爆炸。幸運的是，玉米粒本身的特性決定了它很容易爆炸。昨天晚上我做了點爆米花。堅固強韌的外表下隱藏著柔軟的內心，這樣的發現總是令人欣喜。不過，玉米粒為什麼會變成蓬鬆的爆米花，而沒有直接把自己炸得粉身碎骨呢？
　　油燒熱以後，我往平底鍋裡放了一把玉米粒，然後蓋上鍋蓋，轉身去燒水泡茶。屋外風暴肆虐，碩大的雨滴毫不留情地敲打著窗戶。油裡的玉米粒發出輕微的劈啪聲，似乎一切平靜，但事實上，平底鍋裡的好戲已經開場。每一粒玉米內部都有一個胚芽，它可以長成一棵新的植物，而胚乳則為新植物提供生長所需的養分。胚乳主要由澱粉顆粒組成，它的含水量大約是14％。玉米粒放進熱油以後，胚乳內部的水開始蒸發變成氣體。溫度高的分子運動速度更快，所以玉米粒受熱的時候，越來越多的水分子以蒸汽的形式在它內部左衝右突。從演化的角度來說，玉米粒種皮的主要作用是抵禦外力侵襲，可是現在，它卻不得不承受來自內部的暴亂。在這種情況下，種皮變成了一口迷你快鍋。變成蒸汽的水分子無處可去，所以種皮內部的氣壓越來越大。氣體分子不斷碰撞彼此和種皮，隨著氣體分子的數量和運動速度不斷攀升，種皮承受的撞擊力也越來越大。
　　快鍋用滾燙的蒸汽高效地烹製食物，玉米粒內部的小小快鍋也一樣。就在我尋找茶包的時候，胚乳裡的澱粉顆粒被烹製成了某種黏糊糊的加壓凝膠，而且玉米粒內部的氣壓還在繼續增大。種皮能夠承受的壓力是有限的，玉米粒內部溫度上升到180℃時，內部氣壓差不多達到了標準大氣壓的10倍，凝膠看到了勝利的曙光。
　　我輕輕晃了晃平底鍋，聽到鍋裡傳出第一聲爆裂的悶響。幾秒鐘後，劈啪聲就密集得像機槍開火一樣了，跳動的爆米花頂得鍋蓋不斷顫動。每一聲爆響都讓鍋蓋邊緣冒出一縷蒸汽。我倒了杯茶，就在這短短幾秒內，平底鍋裡的爆裂聲變得更加激烈，鍋邊冒出的蒸汽此起彼伏，接連不斷。
　　爆炸發生的瞬間，遊戲規則變了。在此之前，困在種皮內部的水蒸氣是出不來的，隨著溫度不斷升高，蒸汽使種皮內部的氣壓不斷增大。堅韌的種皮破裂的瞬間，種皮內部的物質立即暴露在外部環境的壓力(標準大氣壓)下，這些物質的體積也不再受限。澱粉凝膠內部灼熱的分子仍在左衝右突，但外面卻再也沒有什麼東西束縛它。於是凝膠開始爆炸性膨脹，直至其內部和外部氣壓相等。緻密的白色凝膠變成了蓬鬆的白色泡沫，整個玉米粒向外翻了過來，然後逐漸冷卻固化。整個轉化過程就此結束。
　　把爆米花倒出來以後，你總會發現幾個沒爆開的「傷兵」，焦黑的玉米粒悲傷地躺在鍋底。如果種皮破損，高溫蒸汽會直接逃逸，玉米粒內部無法積聚氣壓，自然就不會爆開。正因如此，玉米可以用來做爆米花，其他穀物卻不行，因為它們的種皮上有細小的孔洞。如果玉米粒太乾——比如收穫的時機不對——導致種皮內部的水分不足以在蒸發後產生足夠的壓力，它也不會爆開。少了劇烈的爆炸，原來不能吃的玉米粒到最後還是不能吃。
　　我端著茶和這碗烹製完美的爆米花走到窗邊遙望外面的風暴。破壞有時候也不是壞事。
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　　簡單就是美，化繁為簡的美更令人動容。在我看來，描述氣體行為的定律就像視錯覺的遊戲，你以為自己看到了某樣東西，可要是眨眨眼再看，它又會變成另一種截然不同的東西。
　　我們生活的世界由原子組成。這些微小的物質粒子擁有相似的結構：外層帶負電的電子陪伴著內部帶正電的沉重原子核，但不同的原子之間仍有區別。化學的故事講的是電子如何按照量子世界的嚴密規則，讓多個原子共擔責任、改變陣形，以及支撐被俘獲的原子核組成更大的模式：分子。
　　就在我敲下這些字時，在我呼吸的空氣中，成對的氧原子(每對氧原子都是一個氧分子)正在以1500公里／小時的速度不斷撞擊以320公里／小時的速度運動的氮原子，也許還會撞上速度為1600公里／小時的水分子。不同的原子和分子在以不同的速度運動，這裡的混亂與複雜超乎想像。每立方公分空氣中大約有30000000000000000000(3×1019)個分子，每個分子每秒大約會發生10億次碰撞。面對這麼複雜的問題，你可能會覺得最明智的做法是直接放棄，轉而研究腦科手術、經濟理論，或者乾脆駭掉一臺超級電腦——幹什麼不比這個簡單呢？
　　那些研究氣體運動的先驅當年根本不知道自己面對的到底是什麼，不然他們可能根本沒有勇氣探索下去。無知也有無知的好處。19世紀初，人們還認為原子的概念不科學；直到1905年，人們才找到了原子存在的確切證據。而在1662年，羅伯特·波義耳(Robert Boyle)1和他的助手羅伯特·虎克(Robert Hooke)2只有玻璃器皿、水銀、密閉容器裡的空氣和恰到好處的無知。他們發現，如果增大壓力，容器內空氣的體積會隨之縮小。這就是波義耳定律：氣體壓力與體積成反比。一個世紀後，雅克·查理(Jacques Charles)3發現，氣體的體積與溫度成正比。溫度升高至原來的2倍，氣體體積也會膨脹至原來的2倍。這簡直不可思議。複雜的原子運動怎麼會遵循這麼簡潔明瞭的規律呢？





抹香鯨和福卡恰麵包


　　抹香鯨深吸一口氣，輕輕一甩壯碩的尾巴，重新潛入海面以下。現在，它的體內儲備了接下來45分鐘內生存所需的一切，狩獵開始了。這次的獵物是一條巨型魷魚。魷魚身體柔韌，觸鬚上長著可怕的吸盤，堅硬的喙看起來頗有幾分駭人。要找到獵物，抹香鯨必須潛入大海深處陽光無法到達的黑暗世界。它下潛的深度通常是500～1000公尺，最深可達2公里。黑暗的深海中，抹香鯨靠高定向聲納探測獵物的蹤跡，等待獵物靠近帶來的微弱回聲。巨型魷魚仍在毫無防備地遊弋，因為它聽不見任何聲音。
　　在深海中，抹香鯨最珍貴的儲備就是氧氣，氧氣所驅動的化學反應為運動的肌肉提供了能量，抹香鯨要藉此維持生命。不過，從大氣中攝取的氣態氧到了深海中會成為一種負擔。事實上，從抹香鯨潛入水中的那一刻開始，肺裡的空氣就成了麻煩。每下潛1公尺，它承受的外部水壓就多一分。氮分子和氧分子不斷碰撞彼此，也碰撞著肺壁，每次碰撞都會產生一個極小的推力。在水面上，抹香鯨身體內外的推力是平衡的，但隨著它不斷下潛，身體承受的水壓越來越大，由外向內的推力超過了由內向外的推力，於是肺壁依靠向內塌陷讓內外壓力重新平衡。抹香鯨的肺逐漸縮小，每個分子擁有的空間也遭到擠壓，因此碰撞變得更加頻繁，這意味著單位面積的肺壁將承受更多碰撞，肺內壓力也隨之增大，直至與外界壓力相等。水下10公尺深處的水壓相當於標準大氣壓的2倍。在這個深度，儘管抹香鯨還能輕鬆看到水面上的東西(只要它願意去看)，它的肺仍會縮小到原來的1/2。這意味著分子碰撞肺壁的次數增加了1倍。但是，魷魚的位置可能在水下1公里，在這個深度，抹香鯨的肺會縮小至它在水面時的1/100。
　　這頭抹香鯨終於聽到了回聲，現在它必須帶著縮小的肺，依靠聲納的指引在無垠的黑暗中迎接戰鬥。巨型魷魚有自己的武器，抹香鯨就算最終獲勝，也可能身負重傷。要是沒有肺裡的氧氣，它根本無法獲得戰鬥所需的能量。
　　肺部縮小會帶來什麼問題呢？如果肺的體積變成了它在水面時的1/100，那麼肺內氣體的壓力就會增加到標準大氣壓的100倍。血液中的氧氣和二氧化碳在小巧的肺泡裡完成交換，如果壓力過大，多餘的氧和氮就會在這個過程中溶解到抹香鯨的血液裡。這些多餘的氣體可能造成嚴重的後果，潛水者稱之為「減壓病」。在抹香鯨返回水面的過程中，多餘的氮氣會在血液裡形成氣泡，破壞機體。從演化的角度來說，抹香鯨唯一的對策是從離開海面那一刻起徹底關閉肺泡。好在它可以通過血液和肌肉中額外儲備的氧氣獲得足夠的能量。抹香鯨體內的血紅蛋白濃度是人類的2倍，肌紅蛋白(肌肉中儲存能量的蛋白質)濃度則是人類的10倍。抹香鯨會在海面上填滿這個巨大的儲備庫。抹香鯨深潛時絕不會動用肺裡的空氣，這實在太危險了。不過在水面以下，它能夠利用的不僅僅是吸入的最後一口氣，肌肉中儲備的額外補給也會支持它的生存和戰鬥。
　　誰也沒見過抹香鯨大戰巨型魷魚。但人們在抹香鯨屍體的胃裡發現過魷魚的喙，這是魷魚身上唯一不能被消化的部分。可以說，每一頭抹香鯨的胃都記錄著它獲得勝利的次數。得勝歸來的抹香鯨遊向陽光，它的肺慢慢膨脹，恢復血氧供應。隨著外部壓力不斷減小，肺的體積也會逐步回到原來的大小。
　　奇怪的是，在實踐中，複雜的分子運動經過複雜的統計學處理後，竟能得出較為明確的結果。的確有無數分子以不同的速度碰撞了無數次，但重要的參數其實只有兩個：分子運動的速度範圍，以及分子碰撞容器壁的平均次數。碰撞次數和每次碰撞的強度(取決於分子的速度和品質)決定了氣體壓力。內部和外部氣體壓力的比例決定了氣體體積。不過，溫度帶來的影響又有一點不同。
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　　「一般來說，誰最在乎這個呢？」我們的老師亞當身穿白色束腰上衣，發福的肚子圓滾滾的，非常符合人們心目中烘焙師的形象，濃重的倫敦口音為他錦上添花。他對著一坨奇形怪狀的生麵糰戳了戳。麵糰立刻吸住了老師的手指，就像一個活物——當然，麵糰裡的確有生命。「要做出好麵包，」亞當指著麵糰宣布，「我們需要空氣。」此時此刻，我正在烘焙學校裡學習製作義大利傳統麵包福卡恰。10歲以後我就沒繫過圍裙，因為我已經很熟悉廚房了。然而，烤過很多麵包的我，卻從沒見過這麼奇怪的麵糰，真是大開眼界。
　　在亞當的指導下，我們開始乖乖揉麵。首先將新鮮酵母和水混合起來，然後加入麵粉和鹽，用力揉搓出筋，穀蛋白是麵包塑形的關鍵。在我們揉麵的時候，活酵母忙著發酵糖，並且製作二氧化碳(CO2)。和我揉過的所有麵糰一樣，福卡恰麵糰裡其實沒有外面的空氣，只有許許多多的二氧化碳氣泡。延展性良好的黏性麵糰是絕佳的生物反應爐，酵母製造的產品困在麵糰內部，於是麵糰開始「長高」。
　　第一階段的發酵結束後，麵糰被放進橄欖油裡好好洗了個澡，然後繼續長高。與此同時，我們開始清洗自己的雙手、操作檯，還有多得驚人的各種器具。酵母的每一次發酵反應都會釋放出兩個二氧化碳分子，這種惰性小分子由兩個氧原子和一個碳原子組成，在室溫下呈氣態。大量二氧化碳分子聚集形成氣泡，然後它們就在這個小小的密閉空間裡玩起了碰碰車。分子的每一次碰撞都可能交換能量，就像母球擊中斯諾克球一樣。有時候，一個分子會減速到近乎靜止，另一個分子攜帶所有能量呼嘯而去。有時候，兩個分子會分享能量。每一次與富含穀蛋白的氣泡壁發生碰撞時，分子都會產生一個推力，所以在這個階段，麵糰裡的氣泡會逐漸變大。氣泡內累積的分子越來越多，向外的推力也越來越強。氣泡不斷膨脹，直至內外氣壓平衡。碰撞氣泡壁的二氧化碳分子有的活躍，有的遲緩。和物理學家一樣，烘焙師也不在乎每個分子的具體速度，因為關鍵在於統計學數據所呈現的整體情況。在室溫和標準大氣壓下，有29％的二氧化碳分子運動速度為350～500公尺／秒，擁有這個速度的分子具體是哪些並不重要。
　　亞當拍了拍手，示意我們看向他。他像魔術師一樣揭開麵糰上的蓋布，並且示範了一種我從沒見過的操作。亞當把浸過油的麵糰拉長再疊回來，每側各折疊一次，這是為了將外面的空氣鎖在皺褶之中。我不由得在腦子裡大喊：這是作弊！我一直以為，麵包裡的氣體應該是酵母釋放的二氧化碳才對。我曾在日本見過一位摺紙大師憤怒地批評自己的學生，說他不該用透明膠帶來黏補摺好的角馬。在這堂烘焙課上，我感受到了同樣的無名怒火。可是，既然你需要氣體，弄些空氣來又有什麼錯呢？反正等麵包烤好以後，誰也不會知道它裡面的氣體到底來自哪裡。最後，我決定服從專家的指導，老老實實疊麵糰。幾小時後，就在我已經被發酵、折疊、浸泡橄欖油的重複流程折磨得近乎絕望的時候，充滿氣泡的福卡恰麵糰終於能進烤爐了。兩種氣體都將大顯身手。
　　烤爐裡的熱能開始滲入麵包。爐子裡的氣壓和外面一樣，但麵包內部的溫度卻從20℃劇增到了250℃。換算成絕對溫度4的話，那就是從293K增長到了523K，幾乎多了一倍。
　　對氣體來說，這意味著分子的運動速度會變快。這裡有個違反直覺的概念：單個分子沒有「溫度」這一說。某種氣體，或者說一團分子，是可以有溫度的，但單個分子無所謂溫度。氣體溫度實際上是描述分子平均動能的一種方式，但說起某個具體的分子，它總在不斷碰撞並且交換能量，因此它的速度也時快時慢，飄忽不定。每個分子都是一輛碰碰車，它的瞬時速度取決於得到的能量。氣體分子運動速度越快，撞擊氣泡壁的力量就越大，產生的壓力也越大。
　　麵包進入烤爐以後，氣體分子突然得到了大量熱能，於是它們開始加速。分子運動的平均速度從480公尺／秒提升到了660公尺／秒，氣泡壁承受的向外推力也隨之增大，但外部壓力卻和原來一樣。因此，每個氣泡都會隨著溫度升高而增大，迫使麵糰向外膨脹。重點在於，空氣氣泡(主要成分是氮氣和氧氣)和二氧化碳氣泡的膨脹率沒有任何區別。分子的類型根本無關緊要，在壓力恆定的情況下，無論是什麼氣體，只要溫度升高1倍，其體積就會增大1倍。或者說，要在溫度升高1倍的情況下保持氣體體積恆定，那麼它的壓力會增加1倍。氣體由哪些原子組成根本不重要，因為從統計學角度來說，所有氣體都一樣。麵包烤好以後，誰也說不清楚哪個氣泡來自二氧化碳，哪個又來自空氣。包裹氣泡的蛋白質和碳水化合物基質被烤熟固化，氣泡完成了塑形，蓬鬆潔白的麵包就這樣做好了。
　　理想氣體定律描述了氣體的運動規律。事實證明，理想是可以實現的，這條定律完全符合現實情況。根據理想氣體定律，對於一定質量的氣體而言，壓力和體積成反比，溫度和壓力成正比。在壓力不變的情況下，氣體體積和溫度成正比。氣體的種類不重要，重要的是氣體分子的數量。理想氣體定律為我們帶來了內燃機、熱氣球，還有爆米花。而且它不光適用於升溫時的情況，還適用於降溫時的情況。





風的瀑布和發泡奶油


　　抵達南極是人類歷史上一個重要的里程碑。偉大的極地探險家阿蒙森、史考特、沙克爾頓等人都是傳奇人物，講述他們成敗的圖書記錄了這個世界上最精彩的冒險故事。南極探險者需要面對的不僅僅是超乎想像的低溫、食物短缺、咆哮的大海和衣物匱乏，就連偉大的理想氣體定律也在跟他們作對。
　　南極洲腹地是一片氣候乾燥的高原，地面上覆蓋著厚厚的冰層，但這裡極少下雪。微弱的陽光幾乎全都被白得刺眼的地面反射回去了，所以這裡的溫度最低可達零下80℃。這裡一片冷清。從原子層面上說，極地的大氣幾乎是凝滯的，因為氣溫太低，空氣分子攜帶的能量少得可憐，運動速度自然也快不起來。高處的空氣下沉到高原地表，又會被冰層偷走一部分熱量，於是冷空氣變得更冷。在同樣的氣壓下，低溫會使空氣的體積縮小，變得緻密。空氣分子之間的距離也會拉近，運動速度更慢，更難抵擋周圍空氣的推力。南極的陸地海拔較高，向外延伸形成入海的斜坡，這些寒冷緻密的空氣會沿著斜坡不可抵擋地滑向大海，就像一道緩慢流動的氣體瀑布，沿著巨大的山谷永不停歇地向著低處的大海奔流，速度越來越快。這就是南極洲的下降風，要是你想去南極點，那就得一路頂風前進。這真是大自然對探險者們開的最惡毒的玩笑。
　　很多地方都會出現下降風，下降風也不一定是冷風。在下降的過程中，凝滯的氣體分子會有微弱的升溫，這些微不足道的溫暖可能造成戲劇性的結果。
　　2007年，我在聖地牙哥的斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)工作。作為一個北方人，我有些不習慣聖地牙哥四季不變的燦爛陽光。不過，每天早上我都能在室外游泳池裡游泳，所以我也沒什麼可抱怨的。這裡的日落十分壯美。聖地牙哥位於海濱，西面便是一覽無餘的太平洋，傍晚的天際線美得驚人。
　　但我仍想念四季分明的氣候。聖地牙哥的時間彷彿凝固了，身在此地就像生活在夢中。不過接下來，聖塔安娜風(Santa Ana winds)來了，聖地牙哥溫暖宜人的天氣變得炎熱乾燥，令人渾身難受。每年秋天，聖塔安娜風總會準時到訪，來自高海拔沙漠的風吹過加利福尼亞州的海岸，奔向大海。這其實也是一種下降風。但聖塔安娜風到達海面時，空氣的溫度比出發時要高得多。
　　我清晰地記得那一天，我們沿著I—5高速公路北上，遠處是一條焚風奔流的巨大山谷，開車的是我當時的男朋友。我看到山谷底部雲河蒸騰。「你聞到菸味兒了嗎？」我問他。「別犯傻了。」他回答。
　　但是第二天一早我醒來時，整個世界都變了模樣。肆虐的野火沿著山谷燒到了聖地牙哥北面，空氣中飄著煙塵。一處篝火在炎熱乾燥的天氣裡失去了控制，火借風勢，一路燒向海邊。我看到的那條雲河其實是野火冒出的濃煙。去上班的人要嘛被打發回家了，要嘛圍在一起聽廣播，擔心著自己的房子。我們只能等待。地平線上一片朦朧，從太空都能看到的煙雲遮蔽了視線，但日落美得驚心動魄。三天後，煙霧開始上升。我認識的一些人在大火中失去了家園。所有東西上都蒙著一層灰，衛生官員建議人們一週內不要進行戶外鍛鍊。
　　高原上灼熱的沙漠空氣經過冷卻，變得緻密，於是沿著山坡向下流動，就像史考特在南極洲遇到的大風一樣。然而，引發火災的氣流不僅乾燥，還有很高的溫度。焚風在下降的過程中為什麼會變得越來越熱？這些能量到底來自哪裡？答案依然藏在理想氣體定律之中：焚風攜帶的空氣有著恆定的品質，而且運動速度非常快，沒有時間和周圍的環境交換能量。緻密氣流一路下降，谷底原有的空氣會對它產生壓力，因為谷底的氣壓相對較高。物質會因受壓而獲得能量。
　　你不妨想像一下：一個氣球朝著一團空氣分子前進，有些分子會撞上氣球，然後被彈開，它們的能量顯然比撞在靜止平面上的分子要高。聖塔安娜風攜帶的空氣體積會縮小，因為它遭到了周圍空氣的擠壓。這樣的擠壓讓運動的空氣分子得到了能量，風也變得越來越熱。這個過程叫作絕熱增溫。每年聖塔安娜風到來的時候，加利福尼亞人總會格外警惕明火。乾熱的焚風奪了大氣中的水分，一點火星都很容易引燃野火。風的熱量不光來自加州的豔陽，還來自周圍空氣的推擠。只要空氣分子的平均速度發生變化，它的溫度就會隨之改變。
　　從罐子裡擠出發泡奶油的過程則與此相反。奶油噴出的瞬間，內部的空氣立即膨脹，對外界產生推力、釋放能量，最後冷卻下來。噴射奶油罐的噴嘴摸起來總是涼的，那是因為流經噴嘴的空氣接觸到大氣時釋放了能量。
　　氣壓只是一種參數，用於衡量微小的分子撞擊某個表面的力量。正常情況下，我們不會注意到氣壓的存在，因為這樣的撞擊是均勻的。如果我舉起一張紙，它並不會憑空移動，因為紙的正反兩面承受的氣壓相等。我們每個人都時時刻刻承受著空氣產生的推力，但你幾乎不會感覺到它的存在。人們花了很長時間才真正了解這種推力的大小，最後的答案有些出人意料。人們很容易認識到這個發現的重大意義，因為科學家採取了一種極為直觀的示範方式。重要的科學實驗通常和戲劇性的場面無關，但這個實驗卻擁有諸多吸引目光的要素：馬、懸念、令人震驚的結果，還有神聖羅馬帝國皇帝的親眼見證。





馬德堡半球和大象的鼻子


　　想知道作用於某件物體的氣壓到底有多大，你必須抽掉物體另一面的空氣，形成真空，這並不容易。公元前4世紀，亞里斯多德曾宣稱：「自然界厭惡真空。」1000年後，這個觀點仍盛行於世。創造真空似乎是個不可能的任務。但在1650年前後，奧托·馮·格里克(Otto von Guericke)發明了第一臺真空抽氣機。格里克不甘心讓自己的發明埋沒在無人問津的技術論文中，他是一位著名的政治家、外交家，與當時的統治者關係良好，或許正是這樣的背景促使他選擇了一種奪人目光的示範方式。5
　　斐迪南三世(Ferdinand III)是神聖羅馬帝國的皇帝，也是歐洲許多地區的最高統治者，1654年5月8日，他帶著侍臣們來到了巴伐利亞的國會大廈外。奧托取出一個直徑50公分的空心銅球，銅球被切成了兩半，接縫處光滑平整，每個半球外側都有一個環，環上繫著一根繩子，方便人們把兩個半球拉住。他在銅球的接縫處塗上潤滑油，將兩個半球拼到一起，然後用自己發明的真空抽氣機抽出球內的空氣。6銅球外面沒有任何固定裝置，可是空氣被抽出去以後，兩個半球牢牢地合在了一起，就像被膠水黏起來了一樣。奧托早已發現，真空抽氣機可以幫助人們直觀地看到空氣的力量有多強大。數十億微小的氣體分子一刻不停地撞擊銅球外表面，將兩個半球推到一起，但球內卻沒有與之抗衡的推力。要把兩個半球拉開，從外部施加的拉力必須大於空氣的推力。
　　接下來馬兒出場了。兩個半球各套一組馬，分別向兩邊用力拉。皇帝和侍臣們親眼見證了馬和看不見的空氣角力。兩個半球合在一起也就是一個大號水皮球的大小，使它們連接的壓力全部來自空氣分子的撞擊，30匹馬都無法將它們拉開。艱苦的拔河結束後，奧托打開閥門讓空氣進入球內，兩個半球自己分開了。毋庸置疑，氣壓是這場比賽的勝利者，它的強大超乎所有人的想像。如果你把這樣的一個球完全抽空然後垂直懸掛起來，從理論上說，它可以承受2000公斤的重物，兩個半球不會因此分開。要知道，這差不多等於一頭犀牛的重量。也就是說，如果你在地上畫個直徑50公分的圈，那麼空氣向這塊小小的地板施加的壓力就相當於一頭犀牛站在上面。看不見的渺小分子撞擊我們的力量竟然有這麼大。奧托為不同的觀眾示範了很多次這樣的半球實驗，後來人們將這種銅球命名為「馬德堡半球」，因為馬德堡是奧托的家鄉。
　　奧托的實驗之所以聞名於世，也是因為有人留下了記錄。加斯帕爾·蕭特(Gaspar Schott)在1657年出版的一本書裡提到了馬德堡半球實驗，奧托的成就從此進入主流科學界的視野。有記載稱，奧托的真空抽氣機啟發了羅伯·波義耳和羅伯·虎克後來的氣壓實驗。
　　你可以自己做個真空實驗，不需要馬，也不需要皇帝。請找一塊能夠蓋住玻璃杯口的方形厚卡紙。為防萬一，這個實驗最好在水槽裡完成。在玻璃杯裡裝滿水，把卡紙放在杯口邊緣，然後小心地平推過去，直至卡紙完全蓋住杯口，注意不要留下任何氣泡。接下來你可以把玻璃杯倒過來，然後鬆開手。現在卡紙承受著整杯水的重量，卻不會掉下來。這是因為下方的空氣分子不斷撞擊卡紙，產生了向上的推力。這樣的力量可以輕而易舉地托起一杯水。
　　空氣分子的撞擊不光能固定物體，也能推動物體，其他動物早就發現了這個祕密，大象就是利用氣壓的專家。
　　非洲象體形龐大，它們優雅漫步的身影常常出現在乾燥多塵的熱帶草原上。象群的核心成員通常是幾頭母象。年高德劭的族長帶領象群尋找水和食物，它們根據自己對地形的記憶做出決策。對於這些動物來說，空有大塊頭是無法生存的。大象的身體沉重而笨拙，為了彌補這一點，它們擁有了動物王國裡最精密、最靈敏的工具：象鼻。象群行進途中，每一頭大象都會用這種奇特的裝備不斷探索周圍的世界。象鼻能夠傳達訊息、進行嗅探、輔助進食，還能噴水。
　　無論從哪個方面來看，象鼻都很奇妙。組成象鼻的肌肉相互聯繫、協同工作，能夠靈活自如地彎曲扭轉，還能抓取物體。光是這一點就已經足夠實用，貫穿象鼻的兩個鼻孔又為它錦上添花。鼻孔從象鼻末端通往大象的肺部，有趣的事情就發生在這裡。
　　象群來到水邊。和其他地方一樣，這裡看似平靜的空氣在一刻不停地運動著，無數分子撞擊著大象皺巴巴的灰色皮膚，也撞擊著地面和水面。族長走在象群的最前面，它甩著鼻子慢吞吞地走進池塘，沉重的腳步激起陣陣漣漪。它把鼻子伸進水裡，閉緊嘴巴，胸部周圍的大塊肌肉開始收縮，使胸腔擴張。隨著肺部的膨脹，肺裡需要更多空氣分子去占領新的空間。這意味著，在接觸涼爽池水的象鼻末端，鼻孔裡撞擊水面的空氣分子會變少。儘管空氣分子運動的速度不變，母象肺內氣壓仍會下降。在外部氣壓與肺內氣壓的推擠賽中，外壓獲得了勝利。內壓小於外壓，所以外壓推動水進入象鼻。不過，等到水占據了一部分空間後，母象體內的空氣分子又會恢復原來的密度，象鼻裡的水柱也不再上升。
　　你用鼻子喝水會嗆到，大象也一樣。在鼻子裡存了大約8升水以後，族長的胸腔就會停止擴張。接下來，它彎起鼻子對準自己的嘴，肌肉擠壓胸腔，讓肺變小。體內的空氣分子受到擠壓，象鼻內部的水面就會遭到更多撞擊。內壓和外壓的戰鬥倒過來重演一遍，象鼻裡的水被擠到嘴裡。族長透過控制肺的容量來調節內外壓差。只要閉上嘴巴，鼻孔就成了空氣出入身體的唯一通道，這樣它就能夠隨心所欲地用鼻子吸入或噴出東西了。象鼻和肺是大象操控空氣的工具，大象藉助空氣來噴水，而不是單純依靠自己的力量。
　　我們用吸管喝水也是基於同樣的原理。7肺部擴張，肺內空氣變得相對稀薄，在吸管裡對水面施壓的分子就會變少，於是外部氣壓推動管內液體表面上升。這個動作我們稱之為「吸」，但實際上我們並沒有對水施力，吸管外的空氣替我們推動了吸管裡的水。只要一邊空氣分子撞擊的力量大於另一邊，就連沉重的水都可以被推動。
　　象鼻和吸管利用氣壓吸水的能力也有限度。兩側的壓差越大，一側對另一側的推力也越大。但你能夠用吸管制造的壓差頂多就是一個標準大氣壓的大小。最完美的真空抽氣機也只能把水抽到10.2公尺的高度，因為我們周圍的空氣只能提供這麼多推力。所以，為了最大限度地利用氣體分子提供推力，你得設法讓它們在更高的壓力下工作。大氣就能提供可觀的推力，但氣體在高溫高壓下產生的推力更加驚人。只要氣體分子的數量夠多，速度夠快，撞擊頻率夠高，它們就足以推動人類文明。





古老的蒸汽機和用來送信的火箭


　　蒸汽火車是鋼鐵製造的巨龍，這頭怪獸呼哧呼哧地喘著粗氣，力氣大得嚇人。不到100年前，鋼鐵巨龍在大陸上飛馳，將工業產品和社會所需的其他物資運到諸多國家的各個地區，將旅客送往遠方。蒸汽火車外表平平無奇，還會造成不可忽視的噪音和汙染，但它們仍是工程學的傑作。就算這些巨龍已經過時，我們仍捨不得讓它們徹底死去。志願者和愛好者的熱忱讓一些蒸汽火車存留至今。我在英國北部長大，我的整個童年都沉浸在工業革命史中，對磨坊、運河、工廠，還有最重要的蒸汽機無比熟悉。現在我住在倫敦，這段過往漸漸淡去，但和妹妹一起乘坐藍鈴鐵路蒸汽火車的旅程喚醒了我的記憶。
　　那是個寒冷的冬天，在這樣的日子裡，乘坐蒸汽火車奔向熱茶和司康餅簡直是最完美的旅程。出發前，我們沒在站臺上逗留太久，不過到達謝菲爾德公園後，我們離開火車，在外面待了一會兒。來來往往的人們動作遲緩，卻井然有序。與龐大的鋼鐵巨獸相比，人類看起來是那麼渺小。你很容易認出維護機車的工作人員，他們穿著藍色制服，戴著有簷帽，舉手投足間活力十足，有的工人留著鬍子，不工作的時候，他們總喜歡在某個地方靠著。而且正如我妹妹所說，這些人中名叫「戴夫」的多得驚人。
　　蒸汽發動機的妙處在於，它背後的原理非常簡單，產生的力量卻是那麼強大，我們需要去激發它、馴服它、培養它。蒸汽發動機和維護它的人類是密不可分的。
　　站在地面上仰望巨大的黑色發動機，你很難想像它其實就是一個帶輪子的火爐，上面燒著一大壺水。一位戴夫邀請我們去駕駛室裡看看。我們爬上發動機背面的梯子，發現眼前黑乎乎的房間裡到處都是黃銅把手、錶盤和管子，我還看到了兩個白色搪瓷馬克杯和塞在管子後面的三明治。不過駕駛室最有趣的地方在於，你可以直接看到這頭鋼鐵怪獸肚子裡面的東西。蒸汽發動機的中央是一座巨大的爐子，爐膛裡熾烈燃燒的煤發出明亮的黃光。燒火工遞給我一把鏟子，讓我給發動機「餵料」，我乖乖從後面的補給車裡挖了一鏟子煤，送進那張熾熱的大嘴。發動機很餓。要跑完這條18公里的路線，它得燒掉500公斤煤。這半噸固體黑金會轉化成二氧化碳和水分子的混合氣體，燃燒釋放的巨大能量將它們變得滾燙。這是蒸汽火車能量轉化過程的第一步。
　　蒸汽發動機最引人注目的部件無疑是機艙與爐子之間的長圓筒，它是發動機的主體。我從沒認真想過圓筒裡到底有什麼東西，其實那裡面填滿了管子。火爐產生的熱氣通過這些管子傳遍整個發動機，從本質上說，它是蒸汽火車的「水壺」。管子周圍的大部分空間充滿了水，吸收了管內氣體的熱量後，灼熱的水分子蒸發成氣體，在發動機頂部以極快的速度左衝右突。這就是蒸汽發動機的工作本質：用爐子和水壺製造出大量灼熱的水蒸氣。這頭巨龍不會噴火，它噴出的是數以億計攜帶能量的分子，但這些高速運動的分子卻被困在發動機內部的狹小空間裡。「水壺」頂部的氣體溫度約為180℃，產生的壓力高達10個標準大氣壓。這些分子狂暴地敲打著發動機壁，但只有在人類需要它們工作的時候，它們才能出去。
　　我們離開駕駛室，走到機車前方。高聳的發動機、半噸煤、巨型水壺和所有維護人員——我們剛才看到的一切都服務於眼前這個東西：兩個帶活塞的圓筒，每個直徑約50公分，長約70公分。它位於機車前方，和整個鋼鐵巨龍比起來是那麼渺小，但卻是真正的核心所在。灼熱的高壓蒸汽進入其中一個圓筒，活塞另一面的普通空氣無法抵禦巨龍噴出的10倍氣壓，分子的撞擊力推動活塞沿著圓筒移動，伴著令人心滿意足的「哐哧」聲，灼熱的氣體最終會釋放到外面的大氣之中。蒸汽發動機熟悉的「哐哧」聲正是源於這裡，這是完成任務的水蒸氣釋放到大氣中時發出的聲音。活塞推動車輪沿鐵軌前進，車頭拖著車廂開動了。我們知道，維持蒸汽發動機運轉需要消耗大量煤，但很少有人關心蒸汽火車跑一趟需要多少水。500公斤燃煤會將4500升水轉化成蒸汽，這些蒸汽推動活塞，然後伴隨著每一次的「哐哧」聲散逸到大氣中。8
　　參觀結束後，我們依依不捨地離開發動機，回到車廂裡，讓蒸汽火車把我們送回家。返程途中，一切似乎都變得不一樣了。看到窗外白茫茫的一片，我不由得想起水蒸氣為我們的旅途做出的貢獻；想到剛才在駕駛室裡看到的景象，發動機巨大的轟隆聲似乎也不那麼吵了。要是有人能用玻璃做一臺蒸汽火車頭該有多好，這樣所有人都能看到這頭巨獸是怎麼工作的。
　　利用氣體分子的推力是19世紀早期蒸汽革命的核心。你只需讓某個表面兩側的氣體產生壓力差，這樣的推力能頂起廚房裡的鍋蓋，也能用來運送食物、燃料和旅客，兩種現象的基本原理完全相同。現在，蒸汽發動機已經過時，但我們仍在利用氣壓差帶來的推力。從技術角度來說，蒸汽發動機屬於「外燃機」，因為爐子和水壺彼此獨立，互不相干。而在汽車引擎裡，燃燒發生在圓筒內部，汽油就在活塞旁邊燃燒，產生的高溫氣體直接推動活塞。這類引擎被稱為「內燃機」。開車或坐公車的時候，請你記得，推動你的是氣體分子。
　　氣壓和體積的關係非常容易示範，你只需要一個廣口瓶和一個剝了殼的熟雞蛋。瓶口的直徑要比雞蛋小一點點，讓雞蛋能夠安穩地放在瓶口上，不會掉進去。請點燃幾張紙扔進瓶子，讓燃燒持續幾秒，然後把雞蛋放在瓶口。片刻之後，你會看到雞蛋慢慢地擠進了瓶子裡。這下麻煩了，該怎麼把瓶子裡的雞蛋弄出來呢？把瓶子倒過來，讓雞蛋從裡面堵住瓶口，然後用熱水沖一會兒瓶子，雞蛋自然就會掉下來。
　　這個遊戲的奧祕在於，瓶內氣體的質量是固定的，通過雞蛋你可以看出是瓶子裡的氣壓更高還是外面的氣壓更高。雞蛋在瓶口，那麼瓶內氣體的體積是固定的。這時候如果用火加熱瓶子，那麼瓶內氣壓就會升高，會有空氣從雞蛋周圍冒出來。等到氣體冷卻下來，瓶內氣壓也會隨之降低，所以雞蛋會擠進瓶子。這時候，外部氣壓大於瓶內氣壓。容器還是這個容器，你可以反覆冷卻、加熱空氣，讓雞蛋鑽進鑽出。
　　蒸汽發動機製造的高壓是穩定可控的，它能為活塞和車輪提供理想的動力。但事情並未到此為止。為何不簡化從氣體到輪子的過程，以此節約能量呢？為何不用高溫高壓的氣體直接驅動車輛？槍炮和煙火就是這類思路的產物。眾所周知，在發明之初，這些東西的穩定性都很差，到了20世紀初，人類的技術和追求都有了長足的進步，火箭才終於被發明出來，它採取的正是最直接的推進方式。
　　第一次世界大戰之前，火箭技術還不夠可靠，在20世紀30年代，發射出去的火箭很可能飛往正確的方向，卻不大可能炸死人，至少多數情況是這樣。和很多新技術一樣，火箭剛剛發明的時候，人們根本不知道它能用來做什麼。在熱情的驅使下，富有創造力的人類為它想出了一個聽起來很時髦卻破壞力十足的新用途：送信。
　　在歐洲，人們真的試過用火箭送信，這完全是因為格哈德·楚克爾(Gerhard Zucker)的努力。當時試驗火箭的發明家有好幾位，但面對接踵而來的挫折與失敗，只有楚克爾以近乎偏執的堅持和絕不放棄的樂觀走在了所有人的前面。這位德國的年輕人痴迷於火箭，可是軍方對他的發明毫無興趣，所以他轉而在民用領域探索前景。在他看來，用火箭送信正是全世界人民翹首以盼的，因為火箭速度夠快，可以跨越大洋，而且閃爍著創造力的光輝。德國人受夠了他失敗的早期試驗，於是楚克爾來到了英國。在這裡，他獲得了集郵愛好者的友誼和支持，集郵者們歡迎新郵戳和新的郵遞系統。在漢普郡進行了一次小規模試驗後，1934年7月，楚克爾動身前往蘇格蘭，試圖在斯卡普島和哈里斯島進行火箭送信試驗。
　　楚克爾的火箭還不太成熟。它的主體是一個長約1公尺的巨大金屬圓筒，圓筒內有一根裝滿了炸藥粉的細銅管，噴嘴位於圓筒底部。信件就塞在銅管外壁和圓筒內壁之間。火箭頂端是個帶彈簧的尖頂，楚克爾希望它能緩衝火箭著陸的衝擊力。更可愛的是，考慮到炸藥可能引燃信件，楚克爾還在銅管外添加了保護層，他在草圖上是這樣標註的：「用石棉包裹火藥筒，以防毀壞郵件。」這枚火箭被安放在一臺支架上，斜斜指向天空。發射的時候，電池會引燃炸藥，產生大量高壓熱氣。高速運動的氣體分子猛烈撞擊火箭頂端，推動它向前飛行，但火箭尾端不存在等量的推力，廢氣只是通過噴嘴直接排放到大氣中。推力的失衡使火箭疾速向前飛行，炸藥會持續燃燒幾秒，足以將火箭推到高空，讓它飛越兩座島之間的海峽。至於火箭的落點和著陸方式，他似乎沒怎麼考慮，不過楚克爾之所以會在蘇格蘭四面環海的偏遠地區進行這次試驗，應該也有這方面的原因。
　　為了完成試驗，楚克爾徵集了1200封信件，每封信上都蓋了特製的郵戳，上面寫著「西部群島火箭郵政」。他把塞得滿滿當當的火箭放到支架上，圍觀的人群屏息靜待，英國廣播公司的攝影機開拍，激動人心的時刻來了。
　　發射鍵被按下的瞬間，電池點燃了炸藥。劇烈的燃燒在銅管內製造出灼熱的混合氣體，載滿能量的分子撞擊火箭頂壁，推動火箭離開支架高速升空。不過短短幾秒鐘後，伴隨著一聲巨大的悶響，火箭消失在一團濃煙中。煙霧散盡後，數以百計的信件從半空中飄落。石棉層圓滿地完成了任務，火箭卻徹底被毀。高壓熱氣很難控制，攜帶大量能量的分子炸掉了火箭的外殼。楚克爾覺得是炸藥筒不夠好，他開始回收信件，準備進行第二次試驗。
　　幾天後，從上次事故中搶救回來的793封信和142封新郵件被塞進了第二枚火箭。這次楚克爾選擇在哈里斯島發射，終點是斯卡普島。不過他還是差了點運氣。第二枚火箭直接在發射臺上爆炸了，這次的聲音更加響亮。殘存的信件再次被收集起來，由常規郵政系統送往收件人手中，只有燒焦的毛邊暗示著它們不同尋常的歷程。火箭試驗遭到了公眾的拋棄。但接下來的幾年裡，楚克爾仍鍥而不捨，他總是相信下次一定會成功，但成功始終沒有到來——至少他從未用火箭成功送出過信件。9楚克爾是個執著於探索的人。我們可以說他沒有在正確的時間和地點想出正確的主意。要是天時地利人和俱全，人們就會將他尊為天才。小型火箭可靠性低、精度不高，要說送信，它的確比不上機動化運輸系統和電報。從某種角度來說，楚克爾是對的：以高壓熱氣為推進劑，完成A點到B點的運輸任務，這個想法潛力無限。可最後是其他人為這個原理找到了真正的舞臺，解決了實際問題，最後大獲成功。德國的V1和V2火箭在第二次世界大戰中嶄露頭角，火箭研發納入軍方項目，民用太空項目也逐漸興起。
　　現在，我們早已熟悉了巨大的火箭搭載設備和人員飛往國際太空站或者將衛星送上太空的畫面。火箭的確非常強大，現代的控制系統讓它們變得安全可靠，這是人類了不起的成就。但是，無論是「土星5號」(Saturn V)、「聯盟號」(Soyuz)、「阿麗亞娜系列」(Ariane)還是「獵鷹9號」(Falcon 9)，所有火箭背後的基本原理都和楚克爾簡陋的郵政火箭一模一樣。只要能在足夠短的時間內製造出足夠多的高壓熱氣，你就可以利用數以億計的分子累積起來的強大撞擊力。「聯盟號」火箭第一級的飛行氣壓大約是標準大氣壓的60倍，所以它產生的推力也是普通空氣推力的60倍。不過，這兩種推力本質上完全相同，都是由分子撞擊物體而產生的。只要分子夠多，速度夠快，撞擊頻率夠高，這樣的推力就能把人類送上月球。永遠不要低估那些小得看不見的東西！





能量和天氣


　　氣體分子總是和我們形影不離。地球大氣時刻包裹著我們，撞擊著我們，推動著我們，也維持著我們的生命。大氣的有趣之處在於，它不是靜止的，它總在不停地流動變化。空氣在我們眼裡是隱形的，若非如此，我們就會看到大量空氣不斷升溫或是冷卻，擴張或是收縮，永不停歇地運動。和氣體分子一樣，大氣的運動也遵循氣體定律。就算離開了抹香鯨的肺和蒸汽發動機，空氣中的分子仍在一刻不停地彼此推擠。大氣在不斷運動，根據環境的變化調節自己。人們看不到大氣變化的細節，卻給大氣運動帶來的結果取了個名字：天氣。
　　廣袤的平原是觀察風暴的最佳地點。風暴來臨的前一天，天氣晴朗，天空藍得像是永遠不會變一樣。看不見的空氣分子聚集在地面附近，向著高處擴散，它們一刻不停地推擠、碰撞、流動、調整。溫度變化促使空氣不斷地從高壓區向低壓區分流。不過，這一切進行得緩慢而平和，你很難想像這些分子攜帶著多麼巨大的能量。
　　風暴來臨之日的凌晨和前一天別無二致，但天空更加清澈，所以地面升溫的速度也大大加快了。空氣分子吸收了部分熱量，運動速度越來越快。到了午後，天空中已經形成了一道厚厚的雲壁，它不斷移動、擴張，直至遮蔽整個地平線。能量在流動。壓差推動氣體形成的厚牆碾過這片平原。由於這堵巨牆並不穩定，戲劇性的場面出現了。氣體分子彼此推擠，但它們沒有足夠的時間來重新達到平衡。與此同時，大量能量不斷流動，情況瞬息萬變。被地面加熱的空氣向上推擠雲層，在氣牆上方頂起一座座高塔。
　　雷雨雲終於來到了我們頭頂，低懸的黑色雲層遮蔽了一望無際的湛藍。頭頂不時傳來沉悶的雷鳴，我們看不到空氣分子，只看到烏雲翻湧如潮。雲層中的氣團彼此衝撞推擠，巨大的壓差讓這個再調整的過程變得迅猛狂暴。能量在空氣分子之間交換，雨滴逐漸形成、變大，第一批碩大的雨滴開始墜落。強風從我們身邊呼嘯而過，那是空氣分子在地面上飛奔。
　　巨大的雷雨雲讓我們看到了湛藍的天空中積聚著多少能量，但這看似極端的現象不過是空氣分子的推擠和碰撞在宏觀層面上留下的痕跡，分子層面發生的事情比這還要激烈得多。空氣分子會從陽光中吸收能量，再釋放給海水，從雲層的冷凝中吸收能量，再輻射到太空中。無論如何，它們總在按照理想氣體定律一刻不停地調整自己。旋轉的地球擁有斑斕的色彩和起伏不定的表面，使得這種調整更加複雜，雲、微粒和某些氣體的存在又帶來了額外的變數。天氣預報實際上就是追蹤頭頂天空中的戰鬥，挑選出對地面上的我們影響最大的結果。不過從本質上說，大象用鼻子喝水、火箭一飛沖天，還有蒸汽推動火車也遵循同樣的原理，這些現象都是氣體定律在現實中的投影。爆米花和天氣之間也有這種隱祕而深刻的關聯。
　　

註釋
　　1　羅伯特·波義耳(1627—1691)，英國科學家，在物理學和化學領域都有重大貢獻，其著作《懷疑派化學家》(The Skeptical Chemist)被人們稱為近代化學的開山之作。——編者
　　2　羅伯特·虎克(1635—1703)，英國科學家、博物學家、發明家。虎克是一位多才多藝的科學家，在很多領域都有重大貢獻。——編者
　　3　雅克·查理(1746—1823)，法國物理學家、數學家、發明家。——編者
　　4　我們將在第6章討論絕對溫度的含義。
　　5　現在我們並不鼓勵用這樣的方式來對待科學。
　　6　我們不知道奧托的真空抽氣機到底抽出了多少空氣。球內肯定達不到嚴格意義上的真空，但至少接近真空了。
　　7　呼吸也一樣，你吸進肺裡的每一口氣都是靠氣壓差呼出去的。
　　8　不知道你有沒有好奇過，湯瑪斯小火車上為什麼會有個「水罐」，答案當然是為了裝水。蒸汽火車所需的水可以和煤一起存放在專門的車廂裡，也可以直接裝在發動機周圍的水罐裡。湯瑪斯小火車採用的就是後面這種方式，所以它的蒸汽車頭是長方形的。
　　9　當時，印度空中郵政協會(Indian Airmail Society)也嘗試過用火箭送信。在270次飛行試驗中，工作人員不光用火箭送信，還送過郵包，但始終無法建立起長期穩定的投遞系統。最後人們得出結論，火箭郵政可靠性低、成本高昂，根本無法與常規的地面郵政競爭。