环球科学朝圣

第二节 帕斯卡一根有思想的芦苇

　　帕斯卡出生在一个税务官员的家庭里，三岁那年母亲不幸去世，父亲承担起了抚养和教育他的责任。帕斯卡从小身体不太强壮，父亲认为数学对小孩子身体有害而且很伤脑筋，就不敢让他接触数学，只是教他学一些语文和历史知识。他把家中的数学书全都藏起来，还叮嘱自己的朋友不要在帕斯卡面前谈论数学问题。

　　12岁那年，帕斯卡偶尔见到父亲在读几何书，就问父亲几何是什么。父亲告诉他，几何学就是研究图形的。父亲的解答非常简单，却使帕斯卡对几何产生了浓厚的兴趣，经常背着父亲研究几何，他用木炭画出各种图形，把圆叫做“圈儿”，把线叫做“棒儿”。

　　有一次，父亲发现帕斯卡正在认真地画着什么，便走到近前想看个究竟。这一看不禁让他大吃一惊，原来帕斯卡竟然在没有人指导的情况下，用图形验证了“一个三角形的三个内角和等于180°”这个几何定理。父亲真是惊喜交集，竟然哭了起来，从此不再阻止他学习数学，还拿出欧几里得的《几何原理》让他阅读。

　　1631年，帕斯卡随家移居巴黎。父亲认为帕斯卡很有数学天分，就经常带他参加巴黎数学家和物理学家小组（法国巴黎科学院的前身）举行的学术活动，让他开开眼界。16岁时，帕斯卡写成一篇题为《圆锥截线论》的论文。笛卡儿见到后，坚决不相信这样一篇文章会出自一个小孩子之手。

　　其实，这也怪不得笛卡儿，像帕斯卡这样没有接受过正规学校教育的人，能在抽象深奥的数学领域取得那么多成就，的确让人不敢置信。帕斯卡在几何上创立了帕斯卡定理，在代数上发现了帕斯卡三角形。1641年，帕斯卡又随家移居鲁昂。为了减轻父亲做税务计算工作时的麻烦，他发明了加法器，这是世界上最早的计算器，现在陈列于法国博物馆中。那一年，帕斯卡还不到20岁。为了纪念这位先驱，目前计算机通用的高级程序设计语言就是以他的名字来命名，即PASCAL语言。

　　近代概率论的基础也是帕斯卡奠定的。这门数学分支常常被人称为“赌徒之学”，这是因为它的产生与赌博有一段渊源。

　　17世纪中的一天，法国有名的赌徒梅尔与一个侍卫官玩骰子赌钱。他们每人事先拿出六枚金币，约定五局三胜。梅尔胜了两局，侍卫官胜了一局，这时候侍卫官接到通知，必须马上赶回王宫。钱赌不成了，可是这12枚金币怎样分配才算合理呢？梅尔认为，自己只要再赢一局就可以赢得全部金币，因此他该得到金币的三分之二，也就是九枚金币。而侍卫官认为，他已经胜了一局，应该得到金币的三分之一，也就是四枚金币。两人争论不休，谁也说不服谁。

　　梅尔觉得自己的分法是公平合理的，却说不出为什么，于是便写信向帕斯卡请教。帕斯卡分析了两种可能出现的结果，认为梅尔应得九枚金币，侍卫官应得三枚金币。他觉得这个问题很有趣，就把这个问题连同他的解法，一起寄给了另一位法国数学家费尔马。费尔马得出的答案与帕斯卡的答案完全一致，但他给出了另一种解法。

　　他们两个人继续通信，深入研究这类问题，初步摸清了一些规律。德国数学家莱布尼茨后来建立了微积分理论，正是得益于这两位数学家的商讨。莱布尼茨曾这样写道：“当我读到帕斯卡的着作时，就像触电一样，突然悟到了一些道理。”

　　仅就数学方面的成就而言，帕斯卡完全有资格在科学史上留名了，而让后人惊羡不已的是，他对科学最卓越的贡献却不在数学上，而在物理学上。在日常生活中我们可以看到，没有灌水的水龙带是扁的；水龙带接到自来水龙头上，灌进水，就变成圆柱形的了。如果这时候在水龙带上扎几个眼，水就会从小眼里喷出来。帕斯卡早就注意到这类现象，他想，这也许是因为水对四面八方都有压强。究竟是不是这样呢？

　　他在1648年做了一个实验，这就是“帕斯卡球”实验。

　　所谓帕斯卡球，不过是一个空心球，壁上有许多小孔，球上连接着一个圆筒，筒里有可以移动的活塞。把水灌进球和圆筒里，向里压活塞，水便从各个小孔里喷射出来。

　　这个实验证明，液体能够把它所受到的压强向各个方向传递。水龙带灌满水以后变成圆柱形，就是因为水龙带里的水把自来水里的压强传递到了带壁的各个部分的结果。

　　细心的帕斯卡并没有就此结束他的研究。

　　他又多次做实验，研究哪个孔喷出去的水最远。结果发现，没有哪个孔射出的水特别远，距离都差不多。这就说明，每个孔所受到的压强都相同。由此，帕斯卡发现了液体传递压强的基本规律，这就是着名的帕斯卡定律。

　　现在人们都知道，当一个人初次来到高原上时，就会感觉呼吸困难，这是因为随着海拔的增加，空气变得稀薄，大气压减小。而在帕斯卡生活的时代，人们对大气压的性质还不甚了解，亚里士多德的“大自然厌恶真空”的说法在人们的头脑中还根深蒂固。大气压的奥秘也是帕斯卡最先揭开的。

　　1644年，意大利物理学家托里拆利和伽利略的一位学生维维安尼一起做了一个实验，在玻璃管里装满比水重14倍的汞，倒置于盛汞的容器中，玻璃管上端就获得了一个“托里拆利真空”。人们对这个实验本身并无异议，但对“托里拆利真空”的说法却不以为然。帕斯卡赞成托里拆利的解释，为了说明水银柱上方的确是真空，他公开演示了托里拆利的实验。

　　他找来水和葡萄酒，分别装进两根一端封闭的管子里。实验开始前，他向观众提问道：“你们说，哪一根管子中的液体在实验时会变得低一些？”“葡萄酒。”人们都这样回答。这是因为葡萄酒比水更易挥发，而挥发出来的那么多气体，会把比水更轻的葡萄酒压下去。然而，实验结果与人们的预期完全相反，装有葡萄酒的那个管子里的液柱比装水的那个更高，这表明液柱上方没有从液体中挥发出来的空气，也就是说，液柱上方出现了真空。

　　液柱上方为什么会出现真空呢？这只能有一种解释，那就是因为周围空气的压力支持着液柱不下落。大气之所以会有压力，那当然是因为大气有重量，而如果大气有重量，那么它的重量必然会随着高度的增加而下降，因为位置越高，上面的空气就越少。要想揭示出大气压的本质，那就必须测量出大气压随高度而变化的情况。

　　要做这种测量，最好是在山中进行。克莱蒙费朗城外有一座多姆山，海拔1000多米，正好适合进行这种测量。但帕斯卡体弱多病，爬不到这么高的山上去，他就把这个任务交给了自己的姐夫弗洛兰·佩里埃。佩里埃带着托里拆利气压计来到多姆山，在不同高度做了测试，结果表明，在山顶处水银柱长度比在山脚处短了8.5厘米。帕斯卡本人爬到巴黎一座高约50米的塔上，做了同样的测试，得到了同样的结果。

　　帕斯卡的实验揭示了大气压的本质。由这些实验出发，他解释了大气压强跟高度变化的关系，提出了可以用气压变化来测定山的高度的设想。他还发现了大气压高低跟天气变化的关系，用大气压解释了虹吸原理。从此，“大自然厌恶真空”的谬论被彻底戳穿了。

　　帕斯卡一生身体虚弱，长期忍受着严重头痛的困扰。1654年11月里的一天，他在巴黎乘马车外出，发生意外，差一点儿掉进河里送了命。事后他觉得大难不死，一定有神明庇护，便决定放弃数学和科学去研究神学，只有在偶尔牙痛时才想些数学问题，用这种方法来摆脱恼人的疼痛。30岁那年，有一段时间他牙痛得厉害，常常无法成眠。这天夜里，他实在忍受不住，索性从床上爬起来，竭力思索摆线的道理。经过八个昼夜的努力，他完成了名着《摆线论》，这本书对后来的数学发展有着深刻的影响。

　　到了晚年，帕斯卡像苦行僧一样，把有尖刺的腰带缠在腰上，如果有什么不虔敬的想法在脑海中出现，他就使劲捶打腰带，来刺痛自己的身体。他不到39岁就去世了，如果没有病魔的折磨，他一定会把更多精力和时间用在科学上，那么他做出的贡献一定会更大。

　　帕斯卡去世后，他的一些未完成的手稿被整理编排出版，这就是被誉为“欧洲近代三大经典哲理散文”之一的《思想录》。在这本名着中，帕斯卡留给世人一句名言：“人只不过是一根芦苇，是自然界中最脆弱的东西，但他是一根有思想的芦苇。”帕斯卡用他短暂的一生证明，人的思想可以永存，有思想的人可以永生。