第10章 伽利略与温度计

世界上很多物质都具有热胀冷缩的特性，水、空气、水银和酒精等在加热的情况下体积都会膨胀，而在变冷的情况下则会缩小。因此，在日常生活中，我们发现夏天的电线往下垂、冬天的电线绷得直；铁路的路轨夏天变长，冬天变短，中间空隙有大有小；踩瘪的乒乓球放到热水中，凹下去的地方一下子就复原了……这些都是热胀冷缩的缘故。人类很早就发现了这种现象，公元前3世纪就有人做实验来演示空气的热胀冷缩，然而谁都没有想到利用它来测量温度。最早利用这一特性来反映冷热程度的，是意大利物理学家、天文学家伽利略，他制作了世界上第一支温度计。

伽利略于1564年2月15日出生在意大利的比萨城。他从小就表现出强烈的求知欲望。大自然中的一草一木，天空中的星星、太阳，都能引起他极大的好奇。17岁那年，伽利略按照父亲的意愿，考上了比萨大学医科专业。在学习医学的过程中，伽利略认识到体温变化与人生病有很大的关系，也就是说，通过了解人的体温，有助于确定其身体状态。可在当时，医生只能用手触摸病人，凭感觉来推测人体的大致温度。这种方法显然容易产生误差，并不精确。伽利略想：能不能发明一种可以精确地测出病人体温的仪器呢？于是，伽利略开始构思这种新仪器的使用原理。

一天，伽利略在沉思之中，看到一位小孩正在玩一种玩具。这种玩具据说是古希腊人发明的，它的结构很简单：在U形的玻璃管里装一半水，将弯管的一端用铅球密封，另一端用玻璃球密封，使管中的空气跑不出来。玩的时候，在铅球下加热，U形管中的水就会向回退缩；移开铅球下的火源，铅球冷却，水就会升到原来的位置。伽利略看着看着，产生了一个新的想法：“为什么不根据热胀冷缩的现象来制作呢？”于是，伽利略便对热胀冷缩现象进行进一步的研究，并在此基础上设计了许多方案，但这些方案后来都被他一一淘汰了。

一晃十多年过去了，在这期间，伽利略当然不仅仅考虑温度计一件事，他发现了摆动定律，可以使机械钟走得更准确；他在比萨斜塔上做了著名的落体实验；他还离开比萨大学，受聘为帕多瓦大学的教授。在帕多瓦大学，伽利略白天教书，晚上同学生们讨论学问，然后再回到自己家里休息。说是休息，其实他还要做实验、制仪器，天天如此。

1593年，伽利略终于发明制作出了第一支空气温度计。这种仪器结构非常简单，但以前从未有人想到过：它是一个充满水的玻璃管，里面有几个漂浮的泡泡，这些泡泡是充满有色液体混合物的玻璃球。这种液体混合物可能含有酒精，也可能只是含有食品色素的水。每个玻璃泡都与一个指示温度的小金属标签相连，标签上刻有一个数字和温度符号。事实上这些金属标签都是经过校准的平衡物，每个标签的重量都与其他的稍有不同。由于这些玻璃泡都是手工吹制成的，它们的大小和形状不完全一样。这些玻璃泡是通过向其中加入一定量的液体，使其具有完全相同的密度的方式来进行校准的。因此，在连接上经过配重的标签后，每个玻璃泡的密度与其他玻璃泡都略有不同，而所有玻璃泡的密度都十分接近于围绕着它们的水的密度。它的基本原理就是随着温度计外空气温度的变化，围绕着玻璃泡的水的温度也会发生变化。而随着水温的变化，水会膨胀或收缩，其密度由此发生改变。所以，在任何一个给定的密度下，有些玻璃泡会浮上来，而其他的则会下沉，下沉最多的玻璃泡即指示了当前的大约温度。

伽利略的空气温度计虽能测定温度，但人们发现它的测定结果并不精确。我们知道，空气受气压、温度等许多因素的影响，所以用空气做的温度计不可能很精确，它只能粗略地反映出温度的变化程度。这时，伽利略手头的其他研究工作十分繁忙，没有精力对空气温度计进行改进。他的学生斐迪南在老师的指导下，决定用液体代替空气温度计中的空气。1654年，斐迪南经过对各种液体的试验之后，研制出了世界上第一支酒精温度计，可是，经过一段时间的使用，人们发现，酒精温度计也存在不足之处，当用它测开水的温度时，温度计内一片模糊。原来，水的沸点是100℃，酒精的沸点是78℃，因此将酒精温度计置于开水之中时，酒精早已变成气体了。显然，只有用高沸点的液体代替酒精，才能解决这一问题。1659年，法国天文学家布里奥利用水银沸点较高的特性，制成了水银温度计，现代意义上的实用温度计就这样诞生了。

现在，虽然伽利略温度计早已被淘汰，成为了一种装饰物，但伽利略在测量温度方面所做的贡献仍然为后世所推崇。

知识链接

伽利略是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。他观察到土星光环、太阳黑子、月球山岭、金星和水星的盈亏、木星的卫星、金星的周相等现象，他从实验中总结出自由落体定律、惯性定律和伽利略相对性原理等，从而推翻了亚里士多德物理学的许多臆断，奠定了经典力学的基础。他反驳了托勒密的地心体系，有力地支持了哥白尼的日心学说。