埃萬杰利斯塔·托里拆利(Evangelista Torricelli,1608年10月15日-1647年10月25日),意大利物理學家、數學家,伽利略的學生。
托里拆利出生于意大利意大利法恩莎小鎮的貴族家庭,16歲時,叔叔將他送入耶穌會學習。托里拆利因此接觸到數學和哲學。1627年,他來到羅馬跟隨羅馬大學教授卡斯特利(Benedetto Castelli)學習數學。1641年出版了自己的第一部著作《論重物的運動》(De motu gravium),解釋了液體從薄壁容器的孔眼中露出的現象。1642年伽利略逝世,34歲的托里拆利繼任伽利略佛羅倫薩大學的物理學兼數學教授職位。1643年,研究出水銀柱氣壓計和“托里拆利真空”現象,并將成果總結在1644年出版的《幾何學論》(Opera Geometrica)一書中。1647年10月25日逝世于佛羅倫薩,享年39歲。
托里拆利在數學和物理學領域都頗有成就,發明了水銀柱氣壓計,發現托里拆利定律、空氣壓力及真空的存在,還出版《論重物的運動》《幾何學論》等著作。為了紀念他,后世將氣壓單位命名為Torr(torr)。
人物生平
早年經歷
1608年10月15日,伊萬杰利斯塔托里拆利出生在意大利的法恩扎。他還在幼年時期就成了孤兒。叔叔是個學識豐富的修道士,擔負起對他的教育責任。逐漸,他對科學產生了興趣,對實驗充滿了熱情。當他年滿十八歲時,伽利略·伽利萊(Galileo)的朋友穆尼迪托·卡斯特里(Munedito Castelli)教授把他收為學生。
年輕的托里拆利愛好廣泛。他研究數學和力學,磨制望遠鏡的透鏡,證明如何用小玻璃球來提高放大倍數。這些放大效果顯著的放大鏡,在經歷了一百年之后,仍然深受科學家的贊揚,并在微生物界促成許多重要的發現。
潛心學習
1627年,托里拆利被送到羅馬,在羅馬大學教授卡斯特利處學習。托里拆利在卡斯特利門下學習期間,他深入研究伽利略·伽利萊的《關于兩門新科學的對話》(Discourses Concerning Two New Sciences)這本書。并從書中獲得了有關力學原理發展的很多啟發。1641年,托里拆利在佛羅倫薩用拉丁文出版自己撰寫的論文《論重物的運動》,企圖對伽利略的動力學定律作出新的自己的結論。
托里拆利在自己的第一部著作中,利用伽利略的自由落體定律解釋了液體從薄壁容器的孔眼中流出的現象。他證明液體從孔中流出的速度與容器中液體水平面處于同一高度的自由落體的速度相等。后來這一關系式發展成著名的托里拆利公式。他還發現從容器側壁的孔中流出的液體具有拋物線的形式。根據這些發現,他奠定了水動力學的基礎。
卡斯特利在一次拜訪伽利略·伽利萊時,將托里拆利的論著給伽利略看,還向他推薦托里拆利。伽利略看完托里拆利論文后,欣賞他的見解,便邀請他前來擔任助手。托里拆利來到佛羅倫薩,見到伽利略時,他已雙目失明,終日臥病在床。在伽利略生命的最后三個月中,托里拆利和他的學生文森佐·維維安尼(Vincenzo Viviani)擔任了伽利略口述的筆記者,成為伽利略晚年的助理。
繼任教授
1642年伽利略逝世后,34歲的托里拆利接替伽利略,擔任佛羅倫薩科學院的物理學和數學教授,并被任命為宮廷首席數學家。后來,托里拆利充實了伽利略·伽利萊的《兩種新科學的對話》的內容。
1643年,他與伽利略的另一位學生維維安尼(Viviani)研究出了水銀柱氣壓計和“托里拆利真空”現象,并將成果總結在1644年出版的《幾何學論》(Opera Geometrica)一書中。
托里拆利在佛羅倫薩生活了五年多,在這五年多的時間里,他進行了大量的科學研究,還結識了畫家羅莎(Rosa),古希臘文明學者達狄(Karl Bernardovich Dadi)和水利工程師阿里蓋提(Arigeti),并受到了上層人物們的普遍敬重。他還應邀在秕糠學會作了12次學術演講,演講題材廣泛,其中有6次是關于物理學方面的。這些講稿在語詞方面十分嚴謹,是典型的意大利文學作品。他的演講充滿著文藝復興時代的斗爭精神,著重抨擊頑固守舊勢力的天主教思想,堅持捍衛伽利略學說。
英年早逝
1647年,正值托里拆利39歲生日之際,卻突然病倒,10月25日在佛羅倫薩去世,安葬于圣洛倫索大教堂(San Lorenzo)。
主要成果
物理方面
真空泵和氣壓計的發明
兩千多年來,學術界普遍流傳亞里士多德(Aristoteles)“自然厭惡真空”,即自然界沒有真空的說法。伽利略對此說法表示懷疑,但也只是認為“自然厭惡真空”有一定的限度。說明伽利略可能已經意識到大氣壓力與真空的存在。
托里拆利和維維安尼受到伽利略·伽利萊影響,合作進行大氣壓力的實驗研究。1643年,他們成功進行了大氣壓力試實驗,不僅導致了大氣壓力的發現,而且導致了汞管中真空的發現和水銀氣壓計的發明。
在1m長的玻璃試管中注滿水銀,用手指封住試管開口處,使水銀不會流出。然后再將試管180°翻轉,使試管開口朝下,放入注滿水銀的水銀槽中。慢慢松開堵住試管開口處的手指。試管內的水銀柱會下降,但到一定高度后就停止了。如果在地平線處做托里拆利實驗,水銀柱會下降到76cm處。托里拆利認為水銀所產生的壓強剛好等于大氣壓強。根據液體中壓強的計算公式,可以計算得到76cm高的水銀柱所產生的壓強為1.01325×105Pa,所以有時人們也稱一個標準大氣壓為76cmHg。
之所以使用汞是因為如果換成常見的水做托里拆利實驗,至少需要一根長度為10.5m的試管,還需要將試管翻轉180°,這個過程中試管可能會破碎,且一個人無法獨立完成實驗,水銀的密是水的13.6倍,更適合用來做托里拆利實驗。
托里拆利原理
如圖存在一個體積和橫截面都是很大的容器,容器的側面有一小孔,液體從小孔流出。假定小孔在液面下h處,液體從小孔流出的速度為v,由于容器的體積和橫截面都很大,而小孔又很小,所以液體從小孔流出時,容器中波體表面下降速度可以認為是零。液體表面的壓強和小孔處的壓強均為大氣壓強。我們以小孔的位置作為基準面,則小孔的高度為零。因此,按照伯努利方程,得,所以。上式表明,液體從小孔流出的速度和液體從高度為h處自由落下時所獲得的速度相等,這一原理叫做托里拆利原理。
托里拆利定律
托里拆利創立了流體動力學,由此補充了由伽利略·伽利萊所建立的固體動力學。他在流體動力學方面的基本工作見于他1644年編寫的《幾何學論》(Opera Geometrica)關于固體動力的部分,他在這里證明了托里拆利定律。
從水箱側壁的一個孔噴出的水的路徑呈拋物線狀,且射流的速度(因而還有單位時間里流出的水量)和一個物體從水面高度自由落到孔的高度時所達到的速度成正比,因而也和水柱在孔上面的高度的平方根成正比。在相繼的相等時間間隔里流出的水量和相繼奇數成正比減少
定義:流量和敞口容器水位深度關系的數學公式。
表達式:(v表示流量,代表其他三個常數,即液體密度、漏孔尺寸和形狀,g表示重力,h表示測量點上方液體的深度/高度)
其他方面
在光學方面,托里拆利設計了研磨透鏡的方法和制造顯微鏡的構造。
在氣象學方面,除了認識大氣壓力的存在,還提出風起源于不同區域之間空氣存在的溫度差和密度差的理論。在真空實驗的基礎上,發明了水銀氣壓計,還把伽利略·伽利萊的氣體溫度計改進成一直沿用到現在的水銀溫度計。
數學方面
托里拆利也具有很高的數學造詣。他曾測定過拋物線弓形內的面積,拋物面內的體積以及其他十分復雜的幾何難題。這些問題一般來說只能用后來艾薩克·牛頓(Sir Isaac Newton)和戈特弗里德·威廉·萊布尼茨(Gottfried?Wilhelm?Leibniz?)創立的牛頓-萊布尼茨公式才得以解決。但托里拆利只是利用伽利略引入的連續變化的概念來解決。他成功地結合力學問題來研究幾何學。例如:他研究了在水平面內以一定速度拋出物體所描繪的拋物線上作切線的問題,還研究了物體所描繪的拋物線的包絡線。
托里拆利點
托里拆利發現了托里拆利點。在三角形的三邊各向其外側作等邊三角形,這三個等邊三角形的外接圓交于一點T,該T點即稱為托里拆利點,而三個等邊三角形的外接圓稱為托里拆利圓。在一定條件下,托里拆利點和正等角中心、費爾馬點等是一回事。
托里拆利小號
托里拆利追隨拉瓦列里(Lavalieri),使用圓柱不可分量證明了“等邊雙曲線的一部分圍繞其漸近線旋轉所得的無限長的立體圖形,具有有限的體積”,這就是“托里拆利小號”(又名“加百利號角”),它具有有限的體積和無限的表面積。
這一明顯有悖的論述可以解釋為:把托里拆利小號的內表面刷一遍需要無限多的油漆,但灌滿整個托里拆利小號只需要有限的油漆,這是因為體積是三維的,而表面是二維的,如果將這些油漆平鋪地面,無視厚度,則可以鋪成厚度無限接近于0的無限面積。事實上,更本質的解釋是面積與體積是不同的測度。
不可分原理
托里拆利在其專著《幾何學論》中將希臘古典幾何學和意大利數學家卡瓦列里(Franeesco Bonaventura Cavalieri)提出的不可分原理融會貫通。不可分原理設計無窮窄的矩形,這些矩形被卡瓦列里用來計算曲線下區域的面積。而托里拆利把卡瓦列里的不可拆分原理發展到不可分曲線。
主要作品
相關事件
馬德堡半球實驗
1654年,德國的馬格德堡足球俱樂部市長奧托·馮·格里克(Otto von Guericke)進行了一場馬德堡半球實驗:將兩個直徑將近14英寸(35.5cm)的銅半球中間墊上皮圈,緊貼在一起就成了不漏氣的空心銅球。內用真空泵抽空,再在其兩邊各用8匹馬向反方向拉兩個半球,未能將其拉開,實驗充分證明了大氣壓的存在。格利克的這次實驗不僅使托里拆利大氣壓強的理論得到了科學界的承認,還使人們看到了空氣壓力的巨大威力。
人物評價
葉企孫等學者編撰的《科學史集刊》中評價托里拆利:“雖然從科學已十分發達的今天看來,托里拆利的工作有些是比較‘簡單’的,但是在當時科學發展的階段來說,這些工作正是勞動人民認識自然,并進而讓自然界的一些現象為自己服務中的重要問題。正因為如此,人民一直在紀念他的功績。”
德國數學家戈特弗里德·威廉·萊布尼茨曾評價托里拆利:“幾何學中的卓越人物、完成了這一領域中義勇軍任務的開拓者和倡導者是拉瓦列里和托里拆利,后來別人的進一步發展都得益于他們的工作。”
后世紀念
后世為了紀念托里拆利在科學上的貢獻,把大氣壓強的單位命名為“托(torr)”,國際編號為7437的小行星4179命名為“托里拆利”。
托里拆利家鄉法恩扎為托里拆利樹立了一座紀念碑。
參考資料 >