图 28—带有两个会聚透镜的显微镜 当然，今天所使用的复显微镜构造已经不同。它们由两个会聚透镜或两
个透镜系组成，每个透镜系都起一个单透镜的作用。最靠近物体的透镜（图
28 中的透镜 a）产生一个实像，通过作为放大镜的第二透镜（b）可以看到这 个实像。然而，这种显微镜直到十七世纪二十年代才制造出来。
　　伽利略似乎最早把复显微镜用于科学工作。1610 年甚或更早，他用复显 微镜研究了昆虫的运动器官和感觉器官，此外还观察了昆虫的复眼。使显微 术流行开来的殊荣属于胡克。他制造的复显微镜是早期最出色的这类显微镜 的一种。他的《显微术》（Microg- raPhia）（1665 年）是最早论述显微观 察的专著，详尽无遗他说明 73 了有效使用显微镜的方法。胡克的复显微镜（见
图 29）用一个半球形单透镜作为物镜，一个平凸透镜作为目镜。镜筒长 6 英 寸，但可用一个附加的拉筒来加长。镜筒用螺丝装在一个可活动的环上，后

者装在一个立架上。待察物体固定在一个从底座伸出的针状物上，并用一只 灯照明，灯上附装有一个球形聚光器。


图 29—胡克的复显微镜 其他类型复显微镜是奥尔良的谢吕贝（1671 年）、基歇尔(74)（1691
年）和赫特尔（1716 年）等人制造的。
　　阿撒那修斯·基歇尔 1646 年使用的单显微镜，在十七世纪所应用的单显 微镜中有相当的代表性。它是个姆指般大小的短镜筒，一端有一个透镜，另 一端有一片平面玻璃。待察物体靠着平面玻璃放置，用一支蜡烛照明，通过 这放大透镜进行观察（见图 30）。
　　这种单显微镜通常用于观察昆虫，因此人们给它起了个绰号，叫“蚤镜” 或者“蝇镜”。
　　列文霍克的单显微镜与此不同。他把一个透镜装在一块黄铜或者银的平 板上，另用一个凹镜使光聚焦在待察物体上（见图 31）。

图 30—基歇尔的显微镜

图 31—列文霍克的单显微镜

图 32—列文霍克的单显微镜 用于观察鱼尾中的血液循环


　　图 32 表明，列文霍克用这种单显微镜观察一条小鱼的透明尾巴中的血液 循环。鱼放在一个盛水的玻璃管里。玻璃管固定在一个金属架子上。一块带 有放大透镜（D 的正上方）的金属板（D）也固定在这个金属架子上。观察者 把眼睛紧贴在透镜上，后者可以用螺丝加以调节。
图 33 和 34 示出两种用来调节显微镜的单螺丝装置，这两种显微镜是康
帕尼（1686 年）和威尔逊（1700 年）所应用的。
图 33 和 34—康帕尼的和威尔逊的螺丝显微镜 图 35—格雷的水显微镜
　　最后，在此还必须提到斯蒂芬·格雷的水显微镜（图 35）。仪器构架用 厚度约为 1/16 英寸的黄铜制造，在 A 处钻有一个直径约
为 1/30 英寸的孔，金属架两表面沿着孔的周围每一面都有一个球形凹陷。在
使用这显微镜时，孔和凹陷都充入水，构成一个双凸透(75)镜。这显微镜用 来观察放在点 F 处的小物体或者孔 C 处的水滴。物体相对透镜的位置可以调 节，只需围绕 E 转动支架 CDE，以及转动螺丝 G，后者从 D 点作用于支架使之 弯向或者离开构架 AB。这样，物体就可以处在焦点的位置上。B 处的金属较 厚，有一个直径约为 1/10 英寸的孔。孔里可形成一个水滴，借助从水滴对面 反射过来的光，就可以观察到水滴中所包含的微生物。因此，在格雷看来， 水滴也就是它自己的显微镜（Phil.Trans.，1696，Vol.XIX，No、223）。

望远镜

望远镜的发明史现在还很不清楚。那些认为是罗吉尔·培根发明的种种论断， 可不予理会。如果说是一位牛津数学家伦纳德·迪格斯发明的，那也许更可 信一点。迪格斯死于 1571 年，他似乎制造过某种望远镜。因为他的儿子托马 斯留下了一份相当详细的望远镜使用说明书，但是，现在总共才只有这点证 据。实际上，望(76)远镜也许可以说是米德尔堡的一个荷兰眼镜制造者汉 斯·利佩希于 1608 年发明的，也有人对此提出异议，认为是米德尔堡的另一 个眼镜制造者发明的，他就是上面提到过的扎哈里那斯·詹森。据说詹森的 儿子曾经声称，他父亲曾在 1604 年仿照一架 1590 年的意大利望远镜，制造 了一架望远镜。笛卡尔将这发明归功于詹姆斯·梅齐乌斯。海牙①的官方文
件则支持利佩希。这些文件表明，国会在 1608 年 10 月 2 日审议了利佩希为 他所发明的一种望远镜申请的专利权。他获得了一笔奖金，并被要求改进他 的仪器，使之能够同时用双眼进行观察。于是，他在 12 月 15 日呈交了一个 双筒望远镜，并又得到了一笔奖金，但他申请的专卖权未获准，理由是其他 人也能制造这种仪器。值得提到的是，国会在 10 月 17 日也审议了梅齐乌斯 申请的同样的专利权。这整个争执并没有多大意思。荷兰眼镜制造者把望远 镜仅仅看做是一种令人好奇的玩具。望远镜有效地应用于科学，那主要同伽 利略有关，结果不久人们就管荷兰望远镜叫伽利略望远镜。
利佩希制造的第一架望远镜同最早的复显微镜非常相象，也由一个作为
物镜的双凸透镜和一个作为目镜的双凹透镜组合而成。现在人们有时仍把这 种仪器称为荷兰望远镜；今天，观剧用的望远镜和双筒望远镜仍旧按这种方 式制造。象复显微镜的发明一样，望远镜的发明似乎也是一个幸运的偶然事 件的结果。据说有一天利佩希纯属偶然地把这种透镜组合转到对准附近一座 教堂的尖顶上的风标，他惊喜地发现这风标被大大地放大了。
这个惊人发明的消息迅速传开。在德国，据说在 1608 年底望远镜就已经
有市售。在意大利，伽利略于 1609 年听到这个发明。在法国，1610 年已经 用望远镜来观察木星的卫星。作为最了解这个新发明的科学可能性的人，我 们必须推举伽利略。当这个发明的消息传到伽利略的耳朵里时，他的创造能 力正达于颠峰。他被激起了一种迫不及待的热望，立刻就动手制造望远镜， 要用它来作天文观察。在他于 1610 年出版的 《恒星的使者》
（sidereusNuntius）（E.S.卡洛斯于 1880 年将它译成英文：The Sidereal
Messenger）里，伽利略这样写道：
“大约 10 个月以前，我听到消息说，一个荷兰人发明了一种(77)仪器，用它可以观察远处的 物体，就象近在眼前一样清楚。这使我思考起来，我怎样也能制造一架这种仪器。光学定律指导我想 出一个主意，把两个透镜固定在一个管筒的两端，一个是平凸透镜，另一个是平凹透镜。当我把眼睛 凑近后一个透镜时，我看到的物体的距离，只有它实际距离的三分之一左右，而大小是实际的 9 倍。 我含辛茹苦，节衣缩食，结果取得了很大的成功。我制成了一架卓绝的仪器，使我能够这样观察物体： 同肉眼所见相比，它们几乎大了一千倍，而距离只有 30 分之一。”
　　伽利略的望远镜本质上就是荷兰的望远镜，不过远比荷兰眼镜制造者们 的制品为好。有鉴于伽利略具备精深的光学知识，这是可以料到的。
　　刻卜勒在他 1611 年出版的《屈光学》（Dioptrics）中，解释了荷兰或 伽利略望远镜以及显微镜所涉及的光学原理。他解释说，眼睛通过凹透镜 LM
（见图 36）所看到的模糊物像，当把凸透镜 NO 放在离这凹透镜某个距离处 时，就变得又大又清楚。他进一步解释说，用凸透镜 NO 会聚而落在凹透镜
LM 上的光线，在到达它们的交点之前，先被折射，以致或者它们的交点再向

前远移（到 A），或者它们变成平行光线（D，E）或发散光线（Z，K）。 (78)
图 36—荷兰望远镜

图 37—“天文”望远镜 图 38—刻卜勒望远镜 图 39—沙伊纳的太阳镜

图 40—海维留斯的长望远镜 荷兰望远镜不久就为刻卜勒在他的《屈光学》里提出的“天文望远镜”
所取代。象后来的显微镜一样，后来的望远镜也由两个会聚透镜（见图 37） 组成。物镜 AB 离物体 CE 的距离这样放置，使得物体的倒像不清楚；再在眼 睛和这模糊的像之间放置第二个凸透镜 OP，这时来自 D 和 F 的光线就变成会 聚光线而清楚起来。目镜如此产生的像显得比透镜 OP 从透镜 AB 得到的像 大。 天文望远镜比较它所取代的荷兰望远镜有两个优点。一是它的视野较宽，二 是使得能够把一个遥远物体的像同放在这两个透镜的共同焦点处的一个小物 体相比较，而这种比较曾导致盖斯科因发明测微计（约 1638 年）。今人惊讶 的是，刻卜勒没有制造他所介绍的、以他命名的望远镜。第一架这种望远镜 是沙伊纳制造的，我们在关于伽利略的那一章里已经提到过他。沙伊纳还遵 照刻卜勒的另一个建议，制造了一种有第三个凸(79)透镜的望远镜，把倒像 变成了正像。
图 41—惠更斯的高空望远镜 刻卜勒还提出过下述几条改良望远镜的建议。用两个凸透镜（一个紧靠
在另一个的后面）代替单一的目镜，使得能够利用较短的镜筒。采用可活动
的镜筒，使望远镜能够配合观察者的眼睛。最后，他还表明怎样把一个凹透 镜和一个凸透镜相组合，便能获得比本来单用一个凸透镜时为大的实像。这 示于图 38，在图中示出一个物体从点 C、A、E 发出的三束光线的路径。凹透
镜 LN 放在凸透镜 GH 投下一个模糊像的地方。这凹透镜恰在三支光线笔即将
变成一个点之前截住它们，使它们在 S、P、T 处变成一个点，在这里形成的 实像比本来单用凸透镜时将在 F、B、D 处形成的像更清楚、更大。刻卜勒的 这一建议在近代导致发明远距照相透镜组合。
　　现在还不明确第一架“天文”即刻卜勒望远镜是什么时候制成的，沙伊 纳也许是在 1613 和 1617 年间的某个时候制成这种望远镜的。沙伊纳肯定也 属于最早用望远镜进行天文观察的人，他于 1611 年 4、5 月间观察了太阳黑 子，与法布里修斯和伽利略的观察差不多是同时。他在多年的天文工作中进 行了数千次的观察。他根据经验发明了一种在望远镜观察期间保护眼睛的方 法，即给望远镜配上特殊的遮光玻璃。他把已磨光的有色玻璃片固定在透镜 前面，甚至还试图用有色玻璃制造透镜以减低光的强度，但没有成功。伽利 略的失明可能就是由于没有沙伊纳的这种装置保护而观察太阳所造成的。
　　
　　沙伊纳还发明过一种方法，使得几个人可以同时观看望远镜所展示的情 景。把一架他所称的太阳镜（实际是一种荷兰或伽利略望远镜）放在一间暗 室里，把它对准太阳。这样，他便在放在望远镜后面的一个白平面上得到带 黑子的日轮的像，而在暗室里的人就全都能看到这像（见图 39）。
　　沙伊纳在他于 1630 年出版的一本名为《奥尔西尼的玫瑰花》（Rosa Ursina）的书中论述了他的天文学工作。（“玫瑰花”是太阳的象征；“奥 尔西尼”是为了向他的资助人奥尔西尼公爵表示敬意。）
　　(80)当时所应用的这些透镜不久就令人感到不满。但它们的真正缺陷在 被牛顿发现之前，人们一直不知道。在这期间，刻卜勒、笛卡尔和其他人都 把透镜的像差归因于它们的球形表面，因而试图利用双曲面的透镜来克服这 个问题。但是，这种透镜很难制造。克服这个困难的另一种办法是使用非常 长的望远镜。但泽的海维留斯（也叫海维尔）制造了一架长 150 英尺的望远 镜，还设计了一个塔来支承它。为了避免这种长望远镜带来的制造和安装上 的困难，根据奥祖的建议，惠更斯创制了“高空望远镜”。通过按附图（图
41）所示方式安置物镜和目镜，这种望远镜省去了通常的镜筒。


图 42—牛顿的反射望远镜（示意图） 牛顿很早就发现白光的合成性质，这导致他得出结论：当时所用的折射
望远镜的主要缺陷不是由于物镜的球面像差，而是由于物镜的色像差所致，
因为色像差使得所形成的像带有彩色边沿。而且，他认为折射望远镜的这种 缺陷是无法弥补的。因此，他考虑制造别种类型望远镜的可能性。接着在 1663 年，詹姆斯·格雷戈里提议制造反射望远镜，作为补救球面像差的办法。牛 顿按自己的方式接受了这个建议，于 1668 年制成了第一架反射望远镜。在这 种仪器里，从一个遥远物体发出的光线经一个凹镜折射后被聚集，而这会聚 光束在快要达到其焦点之前被一个小的平面镜截(81)住，使之射向放在镜筒 旁边的口镜（见图 42）。
牛顿自己动手研磨反射镜，并制成了一架长只有约 6 英寸、口径 1 英寸
的小型望远镜，然而，他用这望远镜观察到了木星的卫星和金星的周相。他 后来又制造了一架比较大的这种望远镜。他把这架望远镜献给了皇家学会， 至今还保存在皇家学会的图书馆里（图 43）。


　　　　　　　图 43—牛顿的小型反射望远镜(82) 牛顿关于折射望远镜的色像差不可救药的看法，后来证明过分悲观。1733
年，切斯特·莫尔·霍尔制造成功了消色差透镜，产生的像没有颜色。导致 他作出这一发现的似乎是他考虑到和人眼的（不正确的）类比。这种类比戴 维·格雷戈里也曾考虑过（1695 年），后来欧勒又重新提出过（1747 年）。 他错误地认为，眼睛中有各种液体，它们对光线的折射各不相同，因此在视 网膜上产生无色的像。于是，他（幸运地）得出结论：由不同折射的媒质所 组成的透镜能够产生无色的像。约翰·多朗德在 1758 年独立地作出了同样的 发现，他对消色差折射望远镜的制造做出过宝贵的贡献。他的消色差透镜由 一个冕牌玻璃制的凸透镜和一个隧石玻璃制的凹透镜组合而成，后者矫正冕 牌玻璃所造成的色散。

图 44—伽利略的验温器

1630 年过后不久，天文学家开始用望远镜测量角度。最初应用的是荷兰
（或者说伽利略）式的望远镜，下一章里将要比较完整他说明，后来把刻卜 勒的（即“天文的”）望远镜同一架象盖斯科因所发明的那种显微镜结合使 用，取得了更好的结果。不过，这已是 1660 年前后的事了。事实上，有些天 文学家宁肯不用望远镜进行角度测量。这可以海维留斯和胡克两人在 1668—
79 年间进行的激烈论争为证。胡克极力主张。望远镜比屈光装置（敞开观测） 优越。海维留斯则坚持认为，他的敞开观测能够达到跟胡克的望远镜观测一 样精确。1679 年，哈雷特地来到但泽度过几个星期，对他自己用胡克望远镜 作的观察同海维留斯的敞开观测进行精确度比较。哈雷宣称，海维留斯证明 是有理由的。然而，胡克为他的望远镜观测所作的辩护无疑是正确的。

温度计


　　现在人们一般都认为近代第一个温度计是伽利略发明的。断(83)定他发 明的主要根据是他的朋友和学生的证言。因为从幸存下来的他自己的著作来 看，其中似乎只是附带地提到过这种仪器的原理。在 1613 年 5 月 9 日写给伽 利略的信中，他的朋友萨格雷多把这个发明归功于他，但在后来的一封信
（1615 年 2 月 7 日）中他声称自己已对他经常使用的这种原始形式的仪器作
了改进（Le ope- re di Galileo Galilei,Edixione Nazionale，1890—1909，
v01.xI，P.506，and Vo1.XI1，P.139）。另外，根据维维安尼的说法（vita
di Gal-iieo Galilei，Florence， 1718），伽利略约在 1592 年发明了这种 仪器；卡斯特利曾写信告诉切萨里尼（1638 年 9 月 20 日），说在 1603 年曾 看到伽利略在演讲中使用过温度计：“伽利略拿出一个鸡蛋大小的玻璃容器，配有一根麦 秆那样粗、二拃长的玻璃管；他把这玻璃泡放在手里弄热，然后把它倒过来，让管子浸在另一个容器 所盛的水中；一当这玻璃泡冷却下来，水就在管子中上升到水面上一柞的高度；他用这仪器来检测冷 热程度”（opere，Vol.XVII.p.377，亦见 H.C.B0ltOn：The Evolution of the Thermometer，1592—1743，1900，p. 18）。
可见，伽利略早年做实验用的是一种空气温度计或者说空气验温器，它
是一根下端开口、上端呈封闭玻璃泡状的玻璃管（图 44）。玻璃泡里有空气， 当温度上升或者降低时，泡中的空气就膨胀或者收缩，而玻璃管中的水便随 着下降或者上升。玻璃管上很可能附有标度。因为，在他的《对话》的“第 一天”里，伽利略说到过热 6 度、9 度和 10 度（opere,Ediz.Naz.Vol.VII， p.55）。萨格雷多必定也给他的仪器附上标度，因为（在他 1615 年 2 月 7 日的信中）他曾提供在下述三种情形里他的仪器的读数：夏天最热的时候（360 度）、浸在雪中时（100 度）和放在雪和盐的混和物中（零度）。
　　伽利略很可能是从亚历山大里亚的希罗的著作中得到启发而产生制造验 温器的想法的。古代人已经知道空气变热时要膨胀。希罗的机械玩具有一些 就是根据这个道理制造和作用的，而拜占庭的斐罗（公元前或者公元一世纪） 实际上已经制造过一种验温器。死于 1637 年的罗伯特·弗拉德记述过一种验 温器，他说他在一份大约五百年前的手稿中看到关于这种验温器的描述
（Philoso- phia Moysaica，Goudae，1638；Mosaicall Philosophy,London，
1659）。尽管这样，伽利略还是最早考虑利用空气膨胀来测量温度的近代科 学家。
(84)萨格雷多称温度计是一种“用来测量热和冷的仪器。”therm-omètre

〔温度计〕这个术语最早见于 J.勒雷雄的《数学娱乐》（Larecreation mathematique）（1624 年）。
　　就在伽利略和萨格雷多对各地和不同季节的温度进行比较，用冻结的混 和物进行实验的同时，伽利略的一位医学朋友、帕多瓦大学医学教授桑克托 留斯在用一种特殊的验温器指示人体热度的变动，如他在其 1612 年（写于
1611 年）于成尼斯出版的《盖仑医术评注》（Commentaria in artem medicinalem， Galeni）中所述。这种独特的验温器可以看做是最早的体温 计。它的说明和图示见第十八章（见边码第 432 页）。这里只需再指出一点： 桑克托留斯还曾试图用他的验温器来比较大阳的热度和月球的热度。
　　弗兰西斯·培根在他的《新工具》（1620 年）里描述了一种和伽利略验 温器非常相似的仪器，上面附有纸质标度（Book II，xiii，38）。然而，这 种标度究竟怎样，现在一无所知。不管怎样，这种标度不可能是可靠的，因 为只要有气压和温度的变化，就会影响(85)管中液体的位置。因此，它只能 用于测量比较短时间里的温度。
　　在发现了他的气体定律之后，鉴于已知的气压的可变性，玻义耳清楚地 看出了空气温度计的这个根本缺陷。他写道：“这些仪器要受大气重量变化 以及热和冷的影响，因此可能??很容易在许多情形里常常告诉我们错误的 结果，除非在这些情形里我们用别的仪器观察大气当时的重量”（New Experinients and Observationstouching cold,London,1665 ， p.71; Works,ed,.1772，Vol.II，P.498）。不过，在整个十七世纪上半期里，这种 空气温度计一直在应用，并得到发展。基歇尔（Magnes，sive de arte magnetica，Rome，1641）描述过一种验温器，它的玻璃管两端都开口，浸入 盛在另一个封闭玻璃泡内的液体之中，关闭在泡里的液体上方的空气受热 后，便会膨胀，迫使一部分液体顺着玻璃管上行。基歇尔指出这里可以使用 汞。


图 45—盖里克的验温器 奥托·冯·盖里克制造过一种改进的空气温度计（Experime-nta NOva，
1672，BookIII）。它是一个盛有空气的铜球。球附装有一根内盛酒精的 U
形管子，后者将该球形容器封闭（图 45）。酒精上有一个浮子，浮子系一根 线，线绕过一个滑轮，下面垂一个指示温度的小天使像。当球中空气膨胀时，
U 形管开口分支中的酒精上升，小大使就下降；反之，当空气收缩时，小天
使就上升。盖里克用的温标有 7 度，从“大热”到“大冷”。当然，作为一 个研究气压计的实验家，他知道气压是变化的。因此，他在验温器的铜球里 放入一个阀门，这样当气压变化时，封闭空气的体积也相应变化，从而补偿 了气压的变化。
　　阿蒙顿制造了一种空气温度计。这种温度计不是用封闭空气的膨胀，而 是用其压力的增加来测量温度。它的读数定期校正，以适应大气压强的变化
（Mem.de l’Acad.des Sciences,Paris， 1688）。 这种仪器是一个汞虹吸气压计 ABC，它的管子在下面的汞面处膨大成一
个泡 c， 然后再一直垂直向上，端未是另一个泡 F。管子的 CD 部分内盛有碳 酸钾溶液，而它上面是油柱 DE，管端(86)密封的泡 FE 中是空气。在制造时， 管子在 A 和 F 处最初是开口的。竖直放置，在 F 处装上一个漏斗并用蜡密封， 然后注入汞，直至汞面上升到 A 的一半左右。然后用烛焰和喷管将 A 处的开

口密封。接着将管子倒置，以便把日泡中的空气和支管 FG 中的汞去除。当再 将此管子竖直放置时，汞上升到 C， 而在 B 的上面形成托里拆利真空。C 以 上的空管现在充入有色的钾碱溶液到 D，另一半则充油到 E。然后把管子放置 一个星期左右，让各种液体达到它们正式的高度。这时把 F 端密封起来，把 管子固定在一块板上面，后者沿 CE 标有刻度。油和盐溶液的交接部在标度上 的位置即表明了温度。
　　阿蒙顿的仪器和这个时期的其他仪器当时主要缺乏一种精确的标准温 标。在后来关于这个问题的一篇论文 （Histoire del’Ac- addmie des Scieinces，1703）中，阿蒙顿描述了另一种 U 形管式空气温度计，其中空气 的量保持恒定，而其（用约束汞柱的高度表示的）压力是可变的，并在各种 待比较的温度上进行测量。阿蒙顿希望如此能避免因温度计管子口径不均匀 所引起的误差。


图 46—阿蒙顿的温度计 法国医生让·莱伊似乎第一个在 1632 年 1 月 1 日致默森的一封信里提议
制造液体温度计（Rey’SESSays,1777，P.136）。他把伽利略的验温器反过 来装，在泡里充水，管子里充空气，用水的膨胀来指示温度。他写道：“使 用的时候，将袍充满水直到颈部，把它(87)放在太阳下面或者一个发烧病人 的手里；热使水膨胀而上升，上升多少视热度高低而定”（Bolton，上引著 作，p.30）。他看来没有把管子端未封住，而如果这样的话，水的蒸发必定 位这仪器变得非常不可靠。
液体温度计制造上的一个重大改良归功于托斯卡纳的大公斐迪南二世，
他是佛罗伦萨西芒托学院的创建人之一。他用有色的酒精代替水作为测温液 体，并将玻璃管密封。这个改良或许是早在 1641 年作出的，不过肯定他说则 是在 1654 年。佛罗伦萨学院成员一律使用这种温度计，它们也因而得名为佛 罗伦萨温度计（见图 47）。这些温度计的分度都直接制在玻璃上面，而不是 用另外的棕度附贴到温度计上；但是这些分度是用细玻璃珠而不是细线标出 的，因此这种仪器的优越性有所减色。按照所需要的精确度，学院使用的温 度计有四种。它们的分度数目从 50 到 300 不等。图 48 所示的佛罗伦萨温度 计有 300 个分度。由于管子太长，不能制成直管，因此巧妙地把它做成螺旋 形状。各种温度计在玻璃泡大小、管子直径和酒精数量三者的关系上保持相 同，因而彼此相似。令人非常奇怪的是，这些温度计没有定点，佛罗伦萨学 院仅仅试图保持两个定点，即托斯卡纳仲冬时分温度计酒精的最低位置和仲 夏时分的最高点。这两个点分别和一百分度温度计上的第十六度和第八十度 大致相当。
　　学院成员也常常利用浮在一个容器里的酒精液面上的许多带标度的空心 玻璃球来估计温度。当液体上升超过某个相应的温度，其密度因而减小到某 个值以下时，每个玻璃球都会下沉。这样，随着酒精热起来，这些球将按照 规则的次序挨个下沉，于是就测下了这温度的上升。
　　佛罗伦萨温度计不久就传到欧洲。最早进行测温实验的英国人是玻义耳 和胡克。玻义耳曾为缺乏一个绝对的测温标准而感到苦恼（New Experiments
and Observations touching Cold,London，(88)l665，Discourse II，Words，
ed. 1772，Vol.II，pp.489 f.）。他建议以茴香子油的凝固点作为一个定点， 而认为不需要两个定点。胡克在他的《显微术》（1665 年，第 38、39 页）

里，当谈到密封温度计时写道：“我已经??使之变得非常确定和十分灵敏。” 温度计充以胭脂红色的酒精，夏天酒精接近达到管顶，冬天接近达到管底， 而且不容易凝固。玻璃泡浸在刚刚凝固的蒸馏水中时的酒精位置取为一个定 点，并标在管茎上：“至于我的其余分度??我按照液体相(89)对刚才提到 的它冷得凝固起来时的那个体积的膨胀或收缩的程度，加以确定。”

图 47—佛罗伦萨温度计

图 48—佛罗伦萨螺旋温度计
　　在 1665 年 1 月 2 日写给罗伯特·莫里的信中，惠更斯提议使温度计标准 化，方法是商定一个确定的泡的容积与管径的比例，并取水的冰点或者沸点 作为一个定点，据此来计量度数 （ schriften der naturfor-schende Gesellschaft, Danzig；N. F.VII）。H.法布里（Physica，Leyden，1669） 发现有必要用实验来确定两个定点，并把中间的温度划分成任意多个相等的 度；他利用雪和最酷的暑热给出这两个极端温度；达朗塞（Traittez des barometres,ther-mometres，etc.， Amsterdam，1688）建议用水的冰点和 黄油的熔点作为两个定点；曾是西芒托学院成员的 C. 雷那尔迪尼
（Naturalisphilosophia,Padua,1693，1694）建议利用冰的熔点和水的沸点
这两者，把中间温度划分为十二等分。 现在不知道什么时候以及是谁首先想到可以把汞的膨胀应用于计温术或
者首先这样做过。佛罗伦萨学院成员用金属做过实验，发现它虽然对温度变
化的反应比水快，但膨胀程度不如水。马斯格雷失描述过汞体温计。哈雷
（Phil.Trans.，1693，Vol. XVII，p.650）做过水、汞和酒精的热膨胀实验， 以便确定哪一种最适用于计温术。他发现水对变热和变冷的反应很慢，虽然 它最终表现出相当明显的体积变化。但是，水的冰点很高，因此它不适宜于 在我们的气候条件下应用。汞由于对变热作出即时的反应而略胜一筹，但是 汞的膨胀比例不如水；酒精膨胀相当厉害，但在容器中的水达到沸点之前， 它早就挥发了。考虑了他实验的种种结果之后，哈雷得出结论：没有什么测 温媒质可以同空气相比；他似乎产生了复活空气温度计的念头，想采取适当 的防护措施来克服其缺点。
和哈雷差不多的时候，牛顿也从事计温术的研究。他的成果比较重要，
但到很晚才发表（Phil.Trans.，1701， Vol.XXII，p.824）。牛顿制定了一 个温度标，其范围从水的冰点到煤火的温度，并提供(90)了下述中间数据： 煮沸水所需的温度、熔化蜡、铅和各种易燃金属化合物所需的温度以及使物 体达到赤热所需的温度。在制定这个温标时，对于较低的温度，牛顿使用一 个亚麻子油温度计，它以水的冰点为零点，量出人体的温度为十二度。他使 温度与亚麻子油的膨胀成正比。对于较高的温度，牛顿利用一块厚铁板，加 热到赤热，然后借通风来自然冷却。铁板在任何时刻的温度均通过观测这铁 后来冷却到人体温度所需要的时间来估计。为此牛顿提出了以他命名的冷却 定律：“炽热的铁在一个确定时间里传给附近物体的热，即这铁在一定时间里所失去的热，视这铁 的总热量而定；因此，如果取若干相等的冷却时间，那未这些温度将成几何比”（Phil. Trans，
1701，Vol.XXII，p.828）。这条定律现在通常这样表述：一个物体在任一时 刻的冷却速率同其温度超过环境温度的逾量成正比。这条定律仅对小的温度 逾量成立；但牟顿用它来比较各种金属试样的温度，这些试样放在随着冷却

而凝固起来的加热过的铁的上面。他偶然发现，所研究的这些金属都在一定 的温度上发生凝固。利用这种温度计和铁板进行一系列充分重迭的测量，就 可把所有的温度都用这温度计的分度来表示。
　　约莫在 1714 年，D.G .华伦海特（1686—1736）创造了现在仍以他命名 的大家熟悉的那种温度计。华伦海特是一个富有的但泽商人的儿子，但他一 生大部分时间都在阿姆斯特丹度过，在那里潜心于科学研究。他访问过英国， 被选为皇家学会会员。他对气象学很感兴趣。这导致他制造和改良温度计。 在一度利用酒精之后，华伦海特采用汞作为测温液体，并取了三个定点：（1） 冰、纯水和盐或氯化铵的混和物的温度（＝零度）；（2）冰和纯水的混和物 的温度（他标之为 32°）；以及（3）人体的温度（他取其为 96°）。（见 phil.Trans.，1724—6。）
后来华伦海特又扩展了他的温标，以包括水在标准大气压下的沸点（标
为 212°），甚至汞的沸点（标为 600°）。鉴于水的沸点随大气压而变化， 华伦海特制造了一种温度计，它同一个专门用于气(91)象学而不是用于测量 高度的气压计相组合（后来卡瓦罗和沃拉斯顿分别于 1781 年和 1817 年加以 改进，称之为温差气压计）。
　　这里只需叙述有关温度计的几件事实。列奥弥尔于 1730 年引入一种温 标，它在水的冰点和沸点之间划分 80 度（Mém.del’-Acad.des Sctences， Paris，1730，p.452；1731，P.250）。他是由于注意到下达事实而提出这个 温标的：标准浓度的酒精在从水的冰点加热到沸点时，其体积从 1，000 份膨 胀到 1，080 份。因此，他的温标的每一度所代表的温升相当于这种酒精的原 始体积平均膨胀千分之一。A.摄尔絮斯于 1742 年发明了分为 100 度的温标， 但今天的百分温标是里昂的克里斯廷发明的（1743 年）。摄尔絮斯把融冰的
温 度 标 为 100 ° ， 而 把 水 的 沸 点 标 为 零 点 （ Vetenskaps
AkademiensHandlingar，Stockholm，1742）。最早的有效的最高最低温度计
是 詹姆斯·西克斯发明的，它的钢质标尺可用一块磁石调整
（Phil.Trans.1782，vol.LXXII，p.72）。 在结束温度计的论述之前，我们再提一种有关的仪器即华伦海特的沸点
测定器（图 49）。

沸点测定器


　　　　　　　(92)图 49—华伦海特的沸点测定器 这种测量液体沸点的仪器的发明是受到液体的沸点取决于大气压这个发
现的启发。它由一个圆筒 AB 构成，从它向上伸出的一根管子 BC 在通过一个 小泡 CD 后变成口径极细的管子 DE，其端末又是一个泡。圆筒内充有导热性 质优良的液体。当露置于正常气温下时，液体上升到管子 Bc 上的某一点，这 样就测定了 bc 标的温度。然而，当这仪器置于沸水之中时，这液体由于膨胀 而充 92 入泡 CD，并进入管子 DE，液体在这里的高度即测定了 de 标的水在现 有压力下的沸点（Phil.Trans.，1723—4，XXXIII，No.385）。

气压计

在十七世纪中叶之前，水在一台抽水机的轴中上升这类空吸现象一般都

归因于据说大自然具有的憎恶真空的脾性。然而，伽利略于 1638 年注意起当 时已经知道的一个奇特的事实：一台普通抽水机的轴中，水上升到超过外部 水面 32 英尺之后就不再上升了。
这个观察导致伽利略的学生托里拆利去探究，这种所谓的恐真空性
（horror vacui）到底能把约比水密十四倍的汞提到多高。他猜想，这个高 度大约只有水所能升起的高度的十四分之一。维维安尼根据他的建议做了这 个实验，结果证明托里拆利的猜测是正确的。这两位实验家 1643 年共同做实 验时所应用的设备示于图 50（Esperienza dell’Argento vivo,Hellnann’
s Neudrucke，N0.7）。这是一根约 2 码长的玻璃管，一端封闭，里面充有汞。 开口端用手指塞住，然后把管子倒置，手指塞住的那一端浸入一个广口的盛 有汞的容器。当移去手指时，管内汞面便下降到容器内汞面以上约 30 英寸的 高度上停住。管于顶部留下一个空虚空间，后来得名“托里拆利真空”。托 里拆利猜想，汞柱被良由汞面上的大气的压力平衡住了；他把汞柱高度日常 的微小变动归因于大气压的变化。托里拆利在 1647 年的夭折使他未能证实这 个假说，而把它留诸他人；恐真空性之说是根深蒂固的，因此只有在巴斯卡 和盖里克做了令人信服的种种实验之后，这种谬见才被逐出物理学。


　　　　　　　　　图 50—托里拆利的气压计 巴斯卡通过墨森获悉托里拆(93)利的实验，并亲自再用汞和水重复做了
这种实验。他起先倾向于把此结果归因于恐真空性，但后来他相信托里拆利
的假说，而待到做了一个关键性的实验之后，他就更其对之深信不疑了。关 于这个实验的构想，他可能受惠于笛卡尔。这个实验于 1648 年 9 月在巴斯卡 的指导下由他的姻兄弟佩里埃进行（Récit de la Grande Expéience del’ Equilibre des Liqueurs，Paris，1648，Hellmann's Neudrucke,No.2）。 沿着奥弗涅山脉多姆山的山坡从山脚到山顶设立若干个观测站，向上依次在 每个站上装置一个托里拆利气压计，每次用的管子和汞都相同。在每个站上 测量汞的高度，汞的高度随着站的高度增加而递减。同时在山脚下设置第二 个气压计，由另一个观测者不时读取测量结果，发现有小的变化。气压计高 度随同如此建立的大气压而发生的变化表明两者之间有密切的联系。翌日佩 里埃又在克莱蒙最高的塔的脚下和塔顶重复了他的观察，得到了肯定的结果 但不大明显；后来巴斯卡在巴黎的高层大厦上亲自做了这个实验。尔后，这 个时期的科学会社的成员们都把做这种实验当作一种爱好。
佩里埃在向巴斯卡汇报时建议，用数字列表表明气压计高度随观察地高
度的变化，这表可用来确定大气在地球上空延伸的高度。巴斯卡提出把气压 计用作为测量高度的仪器。他还估计出全部大气的重量为 800 亿亿磅。哈雷 后来以玻义耳定律为理论根据，列出了气压对高度的表；这样，他还估计出 了大气的广表，并说明怎样结合运用这种表和气压计来测量山的高度，但这 种测量直到十八世纪初才进行。
　　罗伯特·玻义耳约在 1659 年用实验证明，气压计流体的高度取决于外部 压力（New Experiments Physico-Mechanicall,1660）。他在其抽气机的接 受器中设置一个气压计，发现液柱随着空气抽去而下降，随着重新充入空气 而回升。
　　奥托·冯·盖里克曾制造过一种水气压计，但不清楚他是独立创制还是 模仿托里拆利的（Experimenta Nova，etc.，1672）。他发现，利用一个抽
　　
空的接受器能够通过空吸作用把水从地面升高到(94)他住房的第三层，但升 不到第四层。为了精确地确定水所能上升的高度，盖里克设什制造了图 51 所示的设备。它由四根黄铜管 ab、cd、ef、gh（1）首尾相连地级联成一个 垂直的长管（11），上部端末为一个玻璃接受器 ik（如 IV 中放大示出）， 下端为一旋塞，浸在一个盛水容器 mn 之中。开始时旋塞关闭，管子全部长度
bi 和接受器均充以水。然后打开旋塞，于是管子中的水便下沉到一定的高 度，这可以从玻璃接受器的边上观察，由浮在水面上的一个木头小人的伸出 字臂指点一个带刻度的标尺而作出指示。这时就可以借助铅垂线来确定管中 水面高度和容器中水面高度之差。


　　　　　　　　　图 51—盖里克的水气压计 盖里克将水的上升归因于大气压力以及因气压变化而引起的水面高度的
日常变动。他对这种变动作了长期的研究，试图把这种变动同天气变化联系 起来。他曾根据气压的突然下降预报出 1660 年的一次严重风暴。十七世纪乃 至后来都对气压计高度和天气间的关系作了大量研究，产生了许多猜测。其 他人如玻义耳、马里奥特和哈雷等曾对气压与降雨量等等的关系作过比较粗 糙的力学解释。


　　　　　　　　　　图 52—奥托·盖里克 后来人们对托里拆利的原始形式的气压计作了修改，使它更加小巧，便
于携带，或者使它测量更为精确。最初的改良是虹吸气压计，它省去了汞槽，
管子的开端弯过两个直角，用闭支管和开支管中的液面高度之差来测量大气 压。阿蒙顿于 1665 年（Remar- ques et expériences physiques，p.121） 提出一种气压计，它朝着闭端方向狭下去，适合于海上使用（见图 53）；后 来于 1688 年（ActaEruditorum，P.374）又提出了另一种气压计，气庄由若 干汞柱相继平衡，这样就缩短了仪器的高度（图 54）。在莫兰的气压计（以 拉马齐尼的气压计为基础）里，管子倾斜上升，因此大气压的微小变化在管 子中引起相当大的汞柱位移。另一种气压计也依据这种原理，但管子呈螺旋 形上升。遵照笛卡尔的建议，惠更斯试图提高气压计对气压变化的灵敏度， 为此，他除汞而外还同时应用例如水或酒精之类比重较小的液体。
(95) 所谓的胡克轮式气压计 （ Micrographia ， The Preface,and
Wprat,H.R.S.,P.173）属于最著名的气压计之一。胡克用一个泡 AB（见图
55），它有一个 21/2 英尺长的管子 CD，端末粘结一个倒置的虹吸管 DEF，后 者在 E 处有一个开口，并从 E 点再向上伸出大约 8 英寸。他把整个装置固装 在一块板上，沿着板的长度从与泡的中心平齐的直线 XY 开始刻度，以一英寸 和十分之一英寸分度。他然
图 53—阿蒙顿的海用气压计 图 54—阿蒙顿的复式气压计 图 55—胡克的轮式气压计
后用蜡或水泥把 F 密封，将这装置倒置，再用一个插在 E 处开口的漏斗
向饱和管注入汞，并不时摇动这装置以消除气泡。然后他把 E 处的开口密封，

按竖直位置安放这仪器；再打开管子的下端，用一根虹吸管从开口支管抽出 足够的汞以使闭合支管中的液面下(96)降到 XY。然后，他在管子 EF 或者附 加的木板上刻度，每一分度按相当于管子两个支管中的汞面之差变化 1 英 寸。继之他把一个带刻度的圆环 MNoP 固定在仪器构架上，圆环中央装有一个 能绕轴灵活转动的圆筒 I，后者带有一根轻的指针 KL，在刻度圆坏上面。这 圆筒（其周长两倍干管子 EF 的一个分度之长）上绕有一根丝状的线，两端各 有一个小的钢质重物，其中较重的一个放在管子 EF(97)的汞面上，而另一个 则自由悬置；“利用这种装置，黍的高度之任何最微小的变化，均将由小指
针 KL 的来回运动明显地表现出来。”胡克后来想出了一种方法（说明和图示
见 Phil, Trans，Vol.I,No. 13），把指针和标尺使用于由插在汞槽里的管 子构成的普通气压计（图 56）。指针仍象前面一样由一个重物的升降来启动， 但现在这重物放在槽内的汞的自由液面之上。

图 56—胡克的简化轮式气压计
　　(98)斯蒂芬·格雷于 1698 年（Phil.Trans.,No， 237，P.45）提出利用 移测显微镜和测微计的旋转来极端精确地测读汞面高度（图 57）。
　　然而，这些气压计和别种更为离奇的气压计大都不适用于科学目的，而 提高精确度的途径是改进仪器的读出方法，并考虑到诸如汞的热膨胀等因素 所引起的各种误差。

图 57—格雷的带显微镜和测微计的气压计
　　似乎是莱布尼兹于 1700 年前后在写给他的朋友的信中，最早提出无液气 压计的原理，其中完全省掉了液柱。
　　　　　　　　　　　　抽气机(99) 约在十七世纪中期由奥托·冯·盖里克发明的抽气机对于气体物理性质
的研究，具有极关重要的意义。

图 58—盖里克的第一台抽气机
　　盖里克于 1602 年出生于马格德堡的一个贵族家庭，1686 年死于汉堡。 他早年攻读法学，后来改学数学和力学；三十年战争①大动乱时期，他大部
分时间致力于帮助德国各个城镇巩固城防。当 1631 年梯里的军队劫掠马格德
堡时，盖里克仓惶出逃，仅以身免。但后来他又返回故乡，帮助重建和设防， 并当上了市长。盖里克也赞同许多当时流行的哲学概念，而由于受有关真空 问题论争的影响，结果他投身于气体力学的研究；不过，他的工作的特色在 于重视实验，这在当时的德国还是新鲜事；他的参与为实验科学在北欧的兴 起开辟了道路。


　　　　　　　　图 59—盖里克的第二台抽气机 现在无法肯定盖里克发明抽气机的确切日期，不过这个日子(100)不可能
晚于 1654 年，那年他公开演示了抽气机的本领。现在有理由推断，他的全部 研究可能是在 1635 年和 1645 年间进行的。他不断改进了这种仪器的样式。 最早的几种设计得非常简单（见图 58）。第一台抽气机是一只木桶，缝隙用

沥青妥善填密，里面充入水，而水再用有两个活门的黄铜泵抽空。但当水抽 空后，仍可听到空气穿过木桶微孔的声音。当把这木桶完全密闭在一个更大 的也盛有水的木桶里时，结果仍旧这样。因此，盖里克放弃使用木质容器， 改而试图抽空铜球。他直接用泵抽出铜球中的空气，而不再事先注入水（见
图 59）。


图 60—盖里克的马格德堡半球实验（I） 这种劳动太繁重了。而且象盖里克所认识到的那样，由于外部空气的压
力以及容器没有制成真正的球形，所以当抽空达到一定程度时，这球便崩解。 然而，盖里克又制成了一种没有这个缺陷的铜球，并且成功地获得了相当高 的真空度。这一定是 1654 年以(101)前的事，因为那年他曾向在雷根斯堡召 开的帝国议会表演了一些引人注目的气体实验。其中给人留下最深刻印象的 是著名的“马格德堡半球”。两个空心的青铜半球边沿紧密结合，通过装在 一个半球上的管闩把里面抽空，然后再关闭这管闩。每个半球都套上一支八 匹马的马队，沿相反方向驱赶这两支马队，可是它们拉不开这两个半球，只 要管闩保持关闭。（图 60）


图 61—盖里克的马格德堡半球实验（Ⅱ） 另一个实验用砝码表明了，需要多大的力才能把这种抽空的球的两半分
开。（图 61）


图 62—空所的重量 盖里克用他的抽气机还做过许多其他有趣的实验，罗伯特·玻义(102)
耳后来比较透彻地研究过这些实验所涉及的种种问题。盖里克用实验证明空
气是有重量的；他用天平秤一个容器在抽空前后的重量（图 62），表明它抽 空后比充满空气时轻。他还约略估计了空气密度。盖里克观察到抽空容器的 视在重量逐日变动，他正确地将之归因于大气压的微小变化以及大气对这悬 浮容器所产生的阿基米德上推力。他还注意到，当让一个玻璃容器里的空气 骤然扩散进一个抽空的容器中时，这个玻璃容器里会形成一片湿气云，呈现 虹霓的颜色。
盖里克原先并不打算记述他的发现，但后来由于遭到反对，遂不得不这
样做。他的书于 1663 年写成，但初次发表是在 1672 年，书名是《马格德堡 的新的真空实验》（ExPerimenta Nova （ut voca- ntur）Magdeburgica de Vacuo Spatio〕。这本书全面地论述了宇宙学，但最主要的部分是第三篇， 题为《论专门实验》（De propriiSexperimentis）。它是最有影响、最有教 益的早期物理学专著之一（F.丹内曼的德文译本收入奥斯特瓦尔德的 Klassiker，No. 59）。
　　然而，最早发表的对盖里克的抽气机及其气体实验的论述，是耶稣会教 士卡斯帕尔·朔特（1608—66）的著作。他是维尔茨堡大学的物理学和数学 教授。朔特曾应盖里克的要求用他的抽气机重做了他的实验。朔特在很大程 度上是出于对新兴实验科学的同情，但他决没有摆脱盖里克所极力反对的恐 真空性的束缚。然而，他对活跃德国的科学研究做出了一定的贡献。象默森 一样，他通过同许多研究者通信而促进了新观察和新发现的消息的传播；他 还提出了一些新问题，使论争继续下去。朔特对盖里克研究工作的论述发表
　　
于他的《流体一气体力学》（Mechanica Hvdraulico-Pne-unlatica）（1657 年）。正是这部著作激励罗伯特·玻义耳制造出一台抽气机，使他的宿愿得 遂。
　　玻义耳在他的《关于空气弹性的新的物理一力学实验》（NeWExperiments Physico-Mechanicall touching the Spring of the Air）（牛津，1660 年） 一书中论述了这种仪器以及他用它做的实验。实际上，这种抽气机是在罗伯 特·胡克于 1658 或 1659 年做了几次尝试之后才设计和制造出来的，象玻义 耳正式承认的那样。它标志着盖里克的模型从多方面得到了改进。例如，客 器可以花较轻的劳力抽空；容器顶端有一个开口，可通过它放进物体，然后 又可以用一个气密塞关闭。示于图 63 的这种机器主要由一个玻璃客器和一个 用以抽空容器的泵组成，整个装置由一个(103)木架支承，容器有一个管闩， 开口通入泵桶。后者由一个黄铜圆筒和一个皮柄状的活塞组成；活塞与圆筒 密切配合，由一个曲柄通过齿条和小齿轮升降。圆筒上有一个孔作为阀门， 可以用一个黄铜塞塞住，也可以不塞住。在泵的下冲程，管闩打开，阀门关 闭，空气便从(104)客器中抽出；在上冲程，管闩关闭，阀门打开，于是空气 从抽气机排出，以后逐次冲程的情况都是这样。
图 63—玻义耳的第一台抽气机 图 64—玻义耳的第二台抽气机
玻义耳的第二个抽气机与第一个差不多，只是圆筒浸在水中，玻璃容器
放在抽气机旁的一块搁板上。抽气通过一根管子进行，管子则粘给在搁板的 一个缝槽里，它的通气口向上伸入待抽气的容器。管闩放在圆筒和容器之间。 玻义耳的第三台抽气机有两个泵桶。BB 是两个空心活塞，两个阀门向外 开口让空气逸出，而阻止空气重新回进来。DDDD 是连杆。GGG 是同铁橙柑连 的绳索，并经过滑轮 H。圆筒底部的两个阀门 LL 朝里开口。接受来自管子 MM 的空气，管子 MM 经(105)由 PPQQ 到达板 O，后者中央开有一个孔，放置容器 例如 R。整台机器由一个木架支承；水通过 Q 在板 O 上的开口注入，注入的 水量略微超过注满圆筒所需的量。司泵者站在铁橙 EE 上，用脚轮番抬起和踏
下每个铁镫。


　　　　　　　　图 65—玻义耳的第三台抽气机 玻义耳和胡克用这种设备做了大量实验。他们注意到，当容器内达到部
分真空时，小动物窒息而死；蜡烛的火焰变蓝而迅即熄灭；灼热的煤失去红 色的光泽，但装入手枪的弹药仍能击发；悬挂手表的走时声音再也听不到了， 但磁石对指南针的引力仍不受影响。他们发现，部分充入空气的密闭球胆放 在容器里后随着抽出空气而逐渐膨胀，最后破裂，而热的液体会自发沸腾。 在沃利斯、沃德和雷恩等人在场的情况下，玻义耳用实验证明，气压计中的 汞柱系由大气压支承。为此，他在容器里设置一个气压计，其顶端穿过塞子， 观察汞住随着空气抽出而逐渐下降，而当空气再度充入时又回升。通过在抽 空的容器里称量球胆中所包含的空气，玻义耳还大略估算出空气的密度。放 电情形，但他未能作出解释。
　　(106)在玻义耳工作的激励下，盖里克制造了一台如同图 66 所示的改良 的抽气机。这仪器装在一个三脚架上，后者用螺杆固装于地面。泵桶 fg 固定
　　
在三脚架三条腿之间的适当高度上，活塞用杠杆操纵。泵桶端部是一根管子 n（图 66），容器的锥端插入此管之中，管子下面是一个皮阀门。在泵的下 冲程中，这个阀门打开，让空气从容器进入泵桶；在上冲程中，它关闭，空 气通过外阀门排出。当这设备装配好，缝隙都填严后，漏斗状的接受器注入 水以尽可能(107)地阻止空气重新进入容器。为了同样的目的，泵桶的下端浸 在一个盛水器里（图 66）。

图 66—盖里克的改良抽气机
　　在惠更斯 1661 年访问伦敦期间，玻义耳唤起了他对抽气机的兴趣；那年 他自己也制造了一台抽气机，他后来用它做了许多实验。他的仪器以玻义耳 的仪器为基础，但作了不少改进。例如，盖里克和玻义耳的瓶形容器代之以 圆盖形的容器，倒置在一个枱面上，并用软水泥使之与枱面保持密切接触。 这一改进似乎是惠更斯作出的（见他 1661 年 12 月 21 日的信，CEuvres compètes，Vol.III，p.414）。惠更斯似乎还有计划地用一个气压计放在容 器里作为测试抽空程度的工具（见 E.Gerland in Wiedemann's Annalen，
1883，Vol.XIX，p.549）。十七世纪下半期抽气机又得到进一步的改进，其 中有帕潘引入的双通接头；还有可能也是帕潘引入但豪克斯贝使之完善的双 圆筒泵，豪克斯贝所设计的抽气机在长时间里一直被奉为标准式样。


图 67—玻义耳的空气弹性实验(108) 玻义耳把他原始的抽气机奉献给皇家学会，几年以后他又造了一台自己
使用。他在其 《关于空气弹性和重量的新的物理—力学实验续篇》（A
Continuation of New Experiments Physico-Mecha- nical touching the Spring and Weight of the Air）（牛津，1669 年）一书里介绍了他的进一 步研究。他又重做了早期的许多实验，还做了些新的实验，证明在一个抽空 的容器中，摩擦能够生热，用钢在糖上摩擦会产生火花。一束羽毛在容器中 象一块石头一样坠落，而当通过转动一个外部手柄以操纵弹簧钟舌去撞击一 个悬在容器中的钟时，几乎听不到什么声音。这些实验有几个是为了证明当 其他条件相同时，空吸或者压力能够使液体升起的高度与液体的比重成反 比。根据这些实验，玻义耳利用一种和盖里克的水气压计有些相似的装置试 验了水所能升起的高度（见图 67）。他让一根上部用玻璃制的管子依靠一所 房屋的墙来支承。这管子的下端浸在一个有水的盛器里，上端同一台抽气机 的容器相连，抽气机装在这房屋的平屋顶上，离地面大约 30 英尺。玻义耳把 水升高到离盛器中水面 33 英尺 6 英寸高的高空，不过继续应用泵未产生进一 步的效果。通过比较水气压计和汞气压计两者液柱同时达到(109)的高度，玻 义耳得出了这两种液体的相对密度的改良值。

摆钟


　　　　　　　　　图 68—多佛钟（1348 年） 古代和中世纪已经应用各种仪器来计量时间，其中有些一直留传到了今
天，但只是作为装饰品或者玩具。人们现在仍旧相当熟悉日规（即阴影钟）、 漏壶（即水钟）和砂漏。人们还曾用附上标(110)尺的点燃的蜡烛或者油灯来 计量流逝的时间。中世纪后期已经开始使用粗糙的摆轮钟。这种用重锤驱动

的钟似乎早在十一世纪就有一些修道院在使用了。十三世纪开始形成在大教 堂尖顶安装这种钟的风气；及至十四世纪，这种习俗已经相当流行。这些钟 用风向标或者一根水平加载的横杆即心轴调整。这种钟现存最早的实物示干
图 68，它自 1348 年到 1872 年一直在多佛报时，现存伦敦南肯辛顿的科学博 物馆。悬挂在绳索上的驱动锤（未示出）转动嵌齿轮，而后者与相邻的嵌齿 轮啮合并使之运动，这个嵌齿轮又同一个水平摆的垂直轴啮合。水平摆由通 过两块板传递到其轴的冲力驱动，而这两块板与第二个嵌齿轮相对点上的轮 牙接合。摆动的频率用滑动锤控制。下一个图（图 69）比较清楚他说明了这 种钟(111)（带有一个心轴节摆件）的机构。AB 是一根杆（称为“心轴”）， 每端各有一个重锤。它固定的位置同一根水平轴 c 相垂直，后者安装在贴近 水平“冕状”齿轮 E 的支枢上。轴 C 上装有两个“棘爪”F 和 G，它们与冕状 齿轮 E 的相对轮牙啮合，齿轮 E 则由绳索和重锤 H 驱动旋转。当冕状齿轮旋 转时，一个棘爪与该齿轮的一个轮牙啮合。这制动了心轴，并使之沿相反方 向摆动。随着这个过程的继续，就保持了一种周期性的摆动。借此摆动，就 可以用一个通过“齿轮套齿轮”而同冕状齿轮相连的度盘来计量时间。

图 69—心轴节摆件 图 70—伽利略的摆钟
图 71—双线摆


　　在上述各种钟里，漏壶最适用于计量短的时间间隔，因此甚至在十七世 纪还这样使用它。我们已经看到，枷利略何等机智地把水钟同天平结合起来 应用，以便测量非常短的时间，适应他的落体实验的需要。我们还将看到， 伽利略发现的摆的等时性怎样可以应用于制造一种医用仪器（脉搏计），用 于测量病人脉搏的速率（见边码第 433 页）。它由一个由一根线悬着的摆组 成，线的长度可以伸缩，直到摆的摆动频率和脉搏速率相等；利用一种任意 单位的指标，即可进行医学上有用的比较。并且，如已经说明过的那样，伽 利略在其生命的最后时刻曾发明过一种用一个摆来计量时间的方(112)法。这 个摆由自动作用的冲力维持运动，摆动次数则用时钟机构记录在一个度盘 上。伽利略向他的儿子芬琴齐奥和他的门生维维安尼说明了他的设计，而他 们两人画了一张图（图 70 就是根据这个图画的）。然而，芬琴齐奥还没有完 成他父亲的计划就先死了，因此发明摆钟的任务就注定地落到了克里斯琴·惠 更斯的身上。但是，西芒托学院以发明双线摆也作出了重要贡献（图 71）。

图 72—惠更新的钟
惠更斯于 1657 年取得了他的钟的专利权。他在其《摆钟论》(113)
（Horlolgium Oscillatorium）（巴黎，1673 年）里对此有详尽的叙述，这 本书另外还论述了他研究钟摆运动时所发生的许多力学问题。取自这本书的
图 72 示出惠更斯的钟的局部。象早期的时钟一样，它也由一个下垂的重锤驱 动，后者由绕在鼓 D 上的绳索支承。这个重锤的拉力驱动时钟，井通过经由 一个节摆伴向摆施以周期的、瞬时的冲力而使摆保持运动。摆本身又调节着 重锤的下降和指针的运动。这种仪器的关键部件是水平节摆轮 K，它的轮牙

交替作用于一个同摆相连的水平轴的两个棘爪 L.L。惠更斯的摆钟有一台今 天仍保存在莱顿大学，但它不是他最初的那种，虽然有人这样认为。
现在通用的节摆锚是晚些时候发明的。一个伦敦钟表制造者克莱门特于
1680 年把它引入钟表制造术，不过在此之前，罗伯特·胡克已经介绍过它， 或许还是他发明的。
图 73—摆的摆线运动 图 74—摆线形夹片
《摆钟论》中所讨论的许多力学问题中，有一个是制造一种精确等时的
单摆的问题。惠更斯的解决办法是，使悬线轮番为两个摆线状的夹片所限制
（图 74）。在这些条件下，摆锤本身划出一条摆线，惠更斯表明这是一条等 时曲线，即摆锤无论从 A 和 B 之间的任一点 P 出发，它都在同一时刻到达其 弧的最低点 B。惠更斯把(114)这条原理应用于他的时钟，如图 72 所示；但 是不久由于引入了节摆锚和利用小的冲力，这种装置就成为不必要的了。惠 更斯也是手表的平衡发条的独立发明者（图 75）。他在巴黎发表了他关于摆 钟的书。我们马上还将看到皮卡尔在巴黎天文台对他同事的发明的重要应 用。


　　　　　　　　　图 75—惠更斯的平衡发条 有一段时间里伽利略的追随者同惠更斯的朋友围绕摆钟发明的优先权发
生争执。然而，惠更斯的发明无疑独立于伽利略的发明，两者在原理上根本
不同。伽利略试图把时钟机构应用于摆，而惠更斯则把摆应用于现有的时钟 以取代老式的平衡轮。

各种航海仪器


　　在十七世纪里，发明了或者采用了许多专门用于海上的科学仪器。其中 最重要者有惠更斯的船用钟，即他的特别适合船上使用的摆钟；胡克发明的 一种新颖的测深仪，用来测定海深，而无需测量绳；胡克还发明了另一种仪 器，用于获取任何所希望的深处的海水样品。他如磁倾计、风速计和比重计 等科学仪器也日渐列为(115)远洋航行船舶的必需装备的一部分。

图 76—惠更斯的船用钟（1）

惠更斯的船用钟


　　惠更斯约在 1659 年设计了一种船用钟，用以在海上指示标准时间，以便 确定经度。这种仪器在一二年里制造了好几台。惠更(116)斯在这项工作中曾 得助于由于政治原因在荷兰避难的金卡丁的伯爵亚历山大·布鲁斯。这船用 钟由一个每拍半秒的短摆调节（图 76 和 77）。从图中可看到仪器基座上方 的摆锤，它由 V 形双线悬置方式支撑，以在一个平面上摆动。这摆锤和一条 悬置绳索上的可移动重锤相组合，后者可上下移动，以调准时钟的走速。每 次摆动时，绳索都为摆线状颊板所限制，因此摆锤严格等时地摆动。时钟由
　　
一个圈状发条维持运动，后者由摆通过一个心轴节摆件调节。水平放置的冕 状齿轮不是由发条的直接作用来躯动，而是由一个周期地下降的重锤所产生 的冲力来驱动。发条在相继冲力的间隔期间把这重锤吊起。这就是所谓的 remontoire［杠杆节(117)摆件］，这种结构似乎从十七世纪初就为人们所知， 在后来的钟表制造技术史上更得到多方面的发展。它的作用是使驱动力的大 小实际上保持不变。仪器下面垂一个铅质衡重体，仪器本身吊在船体中部的 常平架上，以便尽可能少受船只运动的影响。金卡丁勋爵在海上试验了两台 这种船用钟，对它们的性能感到满意。它们还在霍姆斯率领的 1664 年到几内 亚海岸的航行中试用过（PhilTrans，Vo1.I）。但是，除了在风平浪静的天 气里而外，它们必定没有使人感到满意。后来惠更斯做了一些实验，利用平 衡发条来控制船用时钟，但他未将这个设计付诸实施。

图 77—惠更斯的船用钟（2） 图 78—胡克的测深仪 胡克的测深仪
1666 年，皇家学会给准备进行远洋航行的海员拟订了几条指示
（Phil.Trans，1666，No.9，and l667，No.24）。这些指示中，有一条说明 了胡克发明的用来估计海洋深度的装置。它无需测量绳。它有一个轻木材制 的球 A 和一个铅块或石块 D，后者的重量足以使前者沉入水中（图 78）。球
D 悬挂在 A 下面的一个弹簧的末端 F，这弹簧通过将环 E 插在其未端和钩环 B
之间而保持弯曲。让这整个装置沉入其深度待测的海洋中，于是 D 撞击海底 而释出 C，结果球 A 便升到海面。用挂表，分砂漏或者秒摆测量仪器下沉和 木球重新在水面出现所相隔的时间，这样就能够估计出这海洋的深度，(118) 只要事先根据用这仪器在已知深度上所作的观察制定出图表。为此曾在泰晤 士河做了试验。

胡克的海水取样器



(119)图 79—胡克的海水取样器 胡克提出的另一种仪器系用来从任何所希望的深度获取海水样品（图
79）。当这仪器沉入海洋时，水的阻力使盒 C 的两端 E、E 打开，但当用绳子 把这仪器拉起来时，这盒子下沉到位置 G，在这个位置上它由柄 D、D 支撑， 柄的两端贴着门 E、E。结果在这个位置上，盒子被关闭，因而水既不能进去， 也不能出来。这样就能够获取该仪器所能下降到的最深处的海水的样品。对 于不同的深度，采用各种不同的下沉重锤。

磁倾针及其他


　　在对海员提出的进一步指示中（Phil.Trans,Vol,II, No.24），建议他 们用磁倾针（图 80）来测量一个悬置于其重心、自由转向磁子午圈的磁针的
　　
磁倾角。指示还要求他们把所到之处的风向和风(120)强都记录下来，并建议 用图 176（边码第 309 页）所示的胡克的仪器来获取风强的数值量度。它的 作用有些象现代飞机场上的锥形风标。一块平板经由一根臂自由摆动，臂则 随着平板被凤吹向外面而在一个有刻度的度盘上转动，这样便以任意的单位 测出风强。这度盘的作用如同风向标，使平板保持面向风。

图 80—磁倾针


图 81—玻义耳的比重计 各地取得的一定量的海水应加以称量，再在考虑到温度的情况下比较它
们的比重，然后再把水蒸干，以便可以称量盐分，从而估计出含盐度。另外， 还建议用一种比重计来比较各种海水样品的比重。经玻义耳改进的这种仪器
（图 81）是一根密封的带泡管子，内有适量的汞，恰好浮在淡水上面。当侵 入其他液体之中时，它沉到不同的深度，可惜助用金刚石刻在管子上的刻度 加以比较。（Phil Trans，No.24 中的这篇文章再次说明了胡克的上述两种 仪器，即确定海深的仪器和从水面下获取海水样品的仪器。）（参见）E. Gerland and F. Traumtuller, Geschichte der physikalischenExperimentierkunst, Leipzig,1899, R.T.Gunther, Early Science in Oxford,vols. I and II, Oxford, 1923, R. S. Clay and T. H. Court, The Historyof the Microscope, 1932; H. Servus, Die Geschichte des Fernrohrs, Berlin,1886;R.T.Gould, The marine Chronometer, its History and Development,1923; J. A. Repsold, Zur Geschichte der astronomischen Messwerkzeuge,Leipzig,1908。）

第六章 天文学的进步：(121)第谷·布拉赫和刻卜勒


　　哥白尼的太阳系理论之所以为天文学家们所接受，主要是由于这个理论 附带提供了有所改进的行星表。哥白尼自己计算编制的原始星表在他死后过 了几年由艾拉斯姆斯·莱因霍尔德加以修正和增补，莱因霍尔德称自己版垦 表为《普鲁士星表》（Tabulae pru-tenicae）（1551 年），以纪念他的资 助人普鲁士公爵。但是哥白尼和莱因霍尔德可以运用的观测数据很少，而且 不可靠，因此根据它们编制的星表远不能准确表示行星的实际运动。很清楚， 在还没有积累起关于行星的准确而又有系统的观测资料之前，在编制出正确 的星表方面不可能取得什么进步。因此，十六世纪下半期的天文学史主要就 是为满足这种需要所做的种种努力。这一时期中最杰出的人物是丹麦天文学 家第谷·布拉赫，他对那个时代的需要看得最清楚，并全力以赴地去满足这 个需要。

第谷·布拉赫的生平


　　第谷·布拉赫于 1546 年 12 月 14 日诞生在斯堪尼亚的克努兹特鲁普（今 瑞典南部，当时属于丹麦）。他出身于一个丹麦贵族家庭，还是一个孩子时 就进了哥本哈根大学。他在那里期间，一次在预报的时间发生的日蚀引起了 他的好奇心，使他的兴趣转到天文学方面。于是他不顾正常的学业，找到托 勒密的著作读了起来，并于 1563 年木星和土星相合时作了他第一次有记录的 天文观测。第谷甚至用自制的粗糙仪器进行观测就已能发现，按照普鲁士星 表或别的星表计算的行星位置与实际观测到的行星位置之间存在严重偏差。 他似乎已认识到，行星表应当在长期系统而又精确的观察基础上进行编制。


　　　　　　　　　　图 82—第谷·布拉赫 离开哥本哈根之后，第谷先后又在莱比锡大学、维滕贝格大学、罗斯托
克大学和巴塞尔大学术学，在各大学都求教于第一(122)流的数学和天文学教
师，时常进行观测，偶尔也搞一些占星术的预测。1570 年，第谷回到丹麦， 此后有一段时间他似乎曾投身于化学研究。但是，1572 年 11 月仙后座中一 颗引人注目的新星的出现又马上把他的兴趣吸引到天文学上来。这个现象的 可见期持续了十八个月左右，其间第谷用他自制的六分仪反复测量了这颗新 星与邻星的角距。他根据这些数据得出了一个重要的结论，关于这一点，我 们将在下面适当的地方加以阐述。在这颗新星的整个可见期之中，他不断跟 踪观察其亮度和色彩的变化，并于 1573 年发表了一篇专文《论新星》（De Nova Stella）。
　　此后不久，在一次周游欧洲的旅行中，第谷拜访了黑森的兰德格拉关·威 廉四世。威廉四世酷爱天文学，他在卡塞尔建造了一座屋顶可以移动的观测 台，并已在使用一种粗糙的时钟。1576 年，丹麦国王弗里德里希二世在兰德 格拉夫·威廉四世的请求之下，决定资助第谷，赐予他一笔经费又把赫威恩 岛赐给他作为天文台的台址，该岛位于哥本哈根和埃尔西诺尔之间的海峡 上。第谷接受了国王的赏赐，在赫威恩岛上建造了城堡和天文台，他称之为 乌拉尼堡（“天塔”）。天文台四周都是花园，里面有豪华的陈设，除了一 些观测室而外，还有一个几乎可制造一切仪器的工场、一个图书馆、一个化
　　
学实验室和印刷所等等。除了国王赐予的年俸之外，第谷还从大量农田和房 地产得到收入，此外，还有罗斯基尔德大教堂给予的俸禄。但是他有时还是 要支付由于开支过大而出现的大笔债务。在他的孩子和一班助手的协助下， 第谷从 1576 到 1597 年一直在赫威恩岛进行观测。
　　然而，1588 年丹麦国王去世，在年幼的王子成年之前，一直选出摄政者 来主持国政。第谷很快就开始失去朝廷的恩宠，朝廷对他的工作从来没有发 生多少兴趣。他似乎不善于与贵族周旋，挥金如土，对租户刻薄刁狠，玩忽 因领取罗斯基尔德大教堂的俸禄所应尽的职责。结果，他的各项津贴逐渐都 被撤销。终于在 1597 年，他带着全家离开了乌拉尼堡。在哥本哈根作了短暂 勾留之后，他便赴德国去拜访汉堡附近的一位贵族，他在那里写了《力学重 建的天文学》（Astronomiae instauratae Mechanica）一书，记述了自己的 生平以及他的各种仪器和方法，于 1598 年发表。同年，第谷应德(123)皇鲁 道夫二世的邀请到布拉格，1599 年鲁道夫二世赐予他一笔资金，并将他安置 在布拉格附近的一个城堡里，他把它建成了一座天文台。在等待他的仪器和 书籍从赫威恩搬来这段时间里，第谷为他将来的研究工作物色助手。就在这 一时期，一位年轻的德国天文学家约翰·刻卜勒加入了第谷的工作。刻卜勒 曾把自己在 1596 年出版的一本著作 《宇宙的奥秘》 （ Mysterium Cosmographicum）寄赠给第谷，这本书引起了第谷对他的注意。刻卜勒于 1600 年初造访第谷，第谷便邀他做自己的助手。此后不久，他把观测工作停顿了 一下，搬到布拉格小住了一段时间，以接近德皇。但在他还未能够安顿下来 进行系统的工作之前，他突然病倒，于 160l 年 10 月 24 日去世。