環球科學朝聖

第二節 帕斯卡一根有思想的蘆葦

　　帕斯卡出生在一個稅務官員的家庭裏，三歲那年母親不幸去世，父親承擔起了撫養和教育他的責任。帕斯卡從小身體不太強壯，父親認為數學對小孩子身體有害而且很傷腦筋，就不敢讓他接觸數學，隻是教他學一些語文和曆史知識。他把家中的數學書全都藏起來，還叮囑自己的朋友不要在帕斯卡麵前談論數學問題。

　　12歲那年，帕斯卡偶爾見到父親在讀幾何書，就問父親幾何是什麽。父親告訴他，幾何學就是研究圖形的。父親的解答非常簡單，卻使帕斯卡對幾何產生了濃厚的興趣，經常背著父親研究幾何，他用木炭畫出各種圖形，把圓叫做“圈兒”，把線叫做“棒兒”。

　　有一次，父親發現帕斯卡正在認真地畫著什麽，便走到近前想看個究竟。這一看不禁讓他大吃一驚，原來帕斯卡竟然在沒有人指導的情況下，用圖形驗證了“一個三角形的三個內角和等於180°”這個幾何定理。父親真是驚喜交集，竟然哭了起來，從此不再阻止他學習數學，還拿出歐幾裏得的《幾何原理》讓他閱讀。

　　1631年，帕斯卡隨家移居巴黎。父親認為帕斯卡很有數學天分，就經常帶他參加巴黎數學家和物理學家小組（法國巴黎科學院的前身）舉行的學術活動，讓他開開眼界。16歲時，帕斯卡寫成一篇題為《圓錐截線論》的論文。笛卡兒見到後，堅決不相信這樣一篇文章會出自一個小孩子之手。

　　其實，這也怪不得笛卡兒，像帕斯卡這樣沒有接受過正規學校教育的人，能在抽象深奧的數學領域取得那麽多成就，的確讓人不敢置信。帕斯卡在幾何上創立了帕斯卡定理，在代數上發現了帕斯卡三角形。1641年，帕斯卡又隨家移居魯昂。為了減輕父親做稅務計算工作時的麻煩，他發明了加法器，這是世界上最早的計算器，現在陳列於法國博物館中。那一年，帕斯卡還不到20歲。為了紀念這位先驅，目前計算機通用的高級程序設計語言就是以他的名字來命名，即PASCAL語言。

　　近代概率論的基礎也是帕斯卡奠定的。這門數學分支常常被人稱為“賭徒之學”，這是因為它的產生與賭博有一段淵源。

　　17世紀中的一天，法國有名的賭徒梅爾與一個侍衛官玩骰子賭錢。他們每人事先拿出六枚金幣，約定五局三勝。梅爾勝了兩局，侍衛官勝了一局，這時候侍衛官接到通知，必須馬上趕回王宮。錢賭不成了，可是這12枚金幣怎樣分配才算合理呢？梅爾認為，自己隻要再贏一局就可以贏得全部金幣，因此他該得到金幣的三分之二，也就是九枚金幣。而侍衛官認為，他已經勝了一局，應該得到金幣的三分之一，也就是四枚金幣。兩人爭論不休，誰也說不服誰。

　　梅爾覺得自己的分法是公平合理的，卻說不出為什麽，於是便寫信向帕斯卡請教。帕斯卡分析了兩種可能出現的結果，認為梅爾應得九枚金幣，侍衛官應得三枚金幣。他覺得這個問題很有趣，就把這個問題連同他的解法，一起寄給了另一位法國數學家費爾馬。費爾馬得出的答案與帕斯卡的答案完全一致，但他給出了另一種解法。

　　他們兩個人繼續通信，深入研究這類問題，初步摸清了一些規律。德國數學家萊布尼茨後來建立了微積分理論，正是得益於這兩位數學家的商討。萊布尼茨曾這樣寫道：“當我讀到帕斯卡的著作時，就像觸電一樣，突然悟到了一些道理。”

　　僅就數學方麵的成就而言，帕斯卡完全有資格在科學史上留名了，而讓後人驚羨不已的是，他對科學最卓越的貢獻卻不在數學上，而在物理學上。在日常生活中我們可以看到，沒有灌水的水龍帶是扁的；水龍帶接到自來水龍頭上，灌進水，就變成圓柱形的了。如果這時候在水龍帶上紮幾個眼，水就會從小眼裏噴出來。帕斯卡早就注意到這類現象，他想，這也許是因為水對四麵八方都有壓強。究竟是不是這樣呢？

　　他在1648年做了一個實驗，這就是“帕斯卡球”實驗。

　　所謂帕斯卡球，不過是一個空心球，壁上有許多小孔，球上連接著一個圓筒，筒裏有可以移動的活塞。把水灌進球和圓筒裏，向裏壓活塞，水便從各個小孔裏噴射出來。

　　這個實驗證明，液體能夠把它所受到的壓強向各個方向傳遞。水龍帶灌滿水以後變成圓柱形，就是因為水龍帶裏的水把自來水裏的壓強傳遞到了帶壁的各個部分的結果。

　　細心的帕斯卡並沒有就此結束他的研究。

　　他又多次做實驗，研究哪個孔噴出去的水最遠。結果發現，沒有哪個孔射出的水特別遠，距離都差不多。這就說明，每個孔所受到的壓強都相同。由此，帕斯卡發現了液體傳遞壓強的基本規律，這就是著名的帕斯卡定律。

　　現在人們都知道，當一個人初次來到高原上時，就會感覺呼吸困難，這是因為隨著海拔的增加，空氣變得稀薄，大氣壓減小。而在帕斯卡生活的時代，人們對大氣壓的性質還不甚了解，亞裏士多德的“大自然厭惡真空”的說法在人們的頭腦中還根深蒂固。大氣壓的奧秘也是帕斯卡最先揭開的。

　　1644年，意大利物理學家托裏拆利和伽利略的一位學生維維安尼一起做了一個實驗，在玻璃管裏裝滿比水重14倍的汞，倒置於盛汞的容器中，玻璃管上端就獲得了一個“托裏拆利真空”。人們對這個實驗本身並無異議，但對“托裏拆利真空”的說法卻不以為然。帕斯卡讚成托裏拆利的解釋，為了說明水銀柱上方的確是真空，他公開演示了托裏拆利的實驗。

　　他找來水和葡萄酒，分別裝進兩根一端封閉的管子裏。實驗開始前，他向觀眾提問道：“你們說，哪一根管子中的液體在實驗時會變得低一些？”“葡萄酒。”人們都這樣回答。這是因為葡萄酒比水更易揮發，而揮發出來的那麽多氣體，會把比水更輕的葡萄酒壓下去。然而，實驗結果與人們的預期完全相反，裝有葡萄酒的那個管子裏的液柱比裝水的那個更高，這表明液柱上方沒有從液體中揮發出來的空氣，也就是說，液柱上方出現了真空。

　　液柱上方為什麽會出現真空呢？這隻能有一種解釋，那就是因為周圍空氣的壓力支持著液柱不下落。大氣之所以會有壓力，那當然是因為大氣有重量，而如果大氣有重量，那麽它的重量必然會隨著高度的增加而下降，因為位置越高，上麵的空氣就越少。要想揭示出大氣壓的本質，那就必須測量出大氣壓隨高度而變化的情況。

　　要做這種測量，最好是在山中進行。克萊蒙費朗城外有一座多姆山，海拔1000多米，正好適合進行這種測量。但帕斯卡體弱多病，爬不到這麽高的山上去，他就把這個任務交給了自己的姐夫弗洛蘭·佩裏埃。佩裏埃帶著托裏拆利氣壓計來到多姆山，在不同高度做了測試，結果表明，在山頂處水銀柱長度比在山腳處短了8.5厘米。帕斯卡本人爬到巴黎一座高約50米的塔上，做了同樣的測試，得到了同樣的結果。

　　帕斯卡的實驗揭示了大氣壓的本質。由這些實驗出發，他解釋了大氣壓強跟高度變化的關係，提出了可以用氣壓變化來測定山的高度的設想。他還發現了大氣壓高低跟天氣變化的關係，用大氣壓解釋了虹吸原理。從此，“大自然厭惡真空”的謬論被徹底戳穿了。

　　帕斯卡一生身體虛弱，長期忍受著嚴重頭痛的困擾。1654年11月裏的一天，他在巴黎乘馬車外出，發生意外，差一點兒掉進河裏送了命。事後他覺得大難不死，一定有神明庇護，便決定放棄數學和科學去研究神學，隻有在偶爾牙痛時才想些數學問題，用這種方法來擺脫惱人的疼痛。30歲那年，有一段時間他牙痛得厲害，常常無法成眠。這天夜裏，他實在忍受不住，索性從床上爬起來，竭力思索擺線的道理。經過八個晝夜的努力，他完成了名著《擺線論》，這本書對後來的數學發展有著深刻的影響。

　　到了晚年，帕斯卡像苦行僧一樣，把有尖刺的腰帶纏在腰上，如果有什麽不虔敬的想法在腦海中出現，他就使勁捶打腰帶，來刺痛自己的身體。他不到39歲就去世了，如果沒有病魔的折磨，他一定會把更多精力和時間用在科學上，那麽他做出的貢獻一定會更大。

　　帕斯卡去世後，他的一些未完成的手稿被整理編排出版，這就是被譽為“歐洲近代三大經典哲理散文”之一的《思想錄》。在這本名著中，帕斯卡留給世人一句名言：“人隻不過是一根蘆葦，是自然界中最脆弱的東西，但他是一根有思想的蘆葦。”帕斯卡用他短暫的一生證明，人的思想可以永存，有思想的人可以永生。