空气不空

在写成“太阳月亮的变化”和“水与道的关系”两篇科普论文之后，拟写一篇关于“空气与空”的文章。

说实在话，“空”确实是个非常不易说清楚的问题！但本着“科学悟道”的宗旨，从空气中的“有”谈起，或许对理解形而上之“空”有所裨益。

空气很普通很普通，一般人感觉不到它的存在，以至于人们将其命名为“空”气。

空气的重要性不言而喻：俗话“人是铁，饭是钢，三顿不吃饿得慌”。相对于食物来说，水更重要，据说一个人光喝水可以维持生命一周到十天。但若要与空气比，哈哈，简直是小巫见大巫。不信你塞住鼻子嘴巴试试看？ 

我院一位德高望重的王其灼先生（2018年3月31日仙逝，享年97岁），青年时期自办药厂，因业绩出众、社会影响大，以“红色资本家”身份受到毛主席接见。在一次全国知识分子座谈会上谈体会，，晴雨无测；业务如空气，昼夜无休。”因此落人把柄、引祸上身。先被打成右派，，吃尽苦头（感兴趣者见胡国梁同志“挂在墙上的境界”，收集在王其灼先生《九秩回眸-随笔集》一书中）。

空气如此重要，但世人往往“视而不见、熟视无睹”，堪称“日用而不知”的典型。

随着科学技术进步，越来越多的自然现象因为搞清楚其物质基础，得到了合理解释。比如“风是由于空气流动造成的”，今天对于具有小学水平的人来说都是常识，但在科学不发达的古代未必尽然。道家老祖宗老子曰“天地之间,其犹橐籥（读音：tuoyue）乎,虚而不屈,动而愈出”。主要是说明有无相生，动静相依，愈动愈出---风在动中源源不断产生。庄子也说“夫大块噫气，其名为风”，风的形成归结为气的流动，至于气，由于与形而上的气（写成“炁”）容易混淆，就说不清道不明了。

从科学道理上讲，我认为古人并没有搞清空气的本质到底是什么。这就像另外一个例子，大地无边无际，寂然不动，太阳每天从东方升起到西边落下，古人就主观认为太阳围绕地球转。后来哥白尼提出日心说，认为地球围绕太阳转，太阳之所以从东方升起到西边落下，原因在于地球公转的同时还在自转。布鲁诺坚持维护日心说，还被宗教裁判所判为“异端”，为科学献出了宝贵生命。

言归正传，我们继续讨论空气。世界最柔软的东西，老子常说是水。《道德经》第七十八章说“天下莫柔弱于水，而攻坚强者，莫之能胜”。真是这样吗？空气比水还要柔软，我们可以断言水的阻力比空气要大。窃以为空气无色无味呈透明状，有人眼里只有山和水，把空气当空，不自觉地把空气忽略了的缘故。（注：有人说老子的“天下之至柔”实际指的是虚空？！）

我以前很纳闷，每次坐飞机从上海到成都时间长，而从成都回上海时间短，相差近一小时（如图）。什么原因呢？是航线不同，还是因为地球自转？莫衷一是。曾经就此问题请教我当飞行员的同学。他解释说上海与成都处于“西风带”！所谓西风，就是风从西方吹过来（多说了一句，抱歉！）。上海和成都处于西风带，意谓飞机在空气对流层飞行的时候，从上海到成都逆风而行，需要消耗更多的能量，所以飞得吃力，时间长。从成都回上海正好相反，顺风而行，飞行时间较短。 

正好朋友发了一份科普解读文章【中国到美国的直飞航班飞机究竟是怎么飞的？】熊猫爱飞行 2018-04-05。文章详细解释了从上海到洛杉矶回程会比去程时间大约长2小时左右的原因。

从上海到纽约来回航线不同，原因在于国际航线时间长，除了选择飞行路线以缩短航程之外，还必须借助空气的力量，“一路顺风”才省力。这与飞机起飞时要逆风而行的道理不一样！ 风带的形成是多种因素综合作用的结果，下面的地球气流图有助于理解飞机航程长短的原因。

空气涉及一门学科--流体力学，飞机、火箭、。有意思的是，汽车靠地面摩擦往前动，但轮船、飞机的运动与流体密切有关。因为要模拟不同风速对物体的影响，建设风洞场所，在风洞中进行各项实验是一种简单、实用、可靠的办法。

说到这里，心里不禁感慨，人与人之间的差别咋辣么大呢？同样是空气，普通人看到的是啥也没有，科学家看到的是另外一些东西，也许得道高人看到的更是与众不同。见识不同，修行的境界不同，“看见”的结果迥异。楞严经上说“见见之时，见非是见；见犹离见，见不能及。”或可从中窥见一斑？ 

值得注意的是，空气之空与形而上的哲学之空，都名之为空，但此空非彼空，不可混淆也！

上述是从宏观角度看待空气，更多的是从物理层面分析问题；现在我们再从微观角度和从化学方面分析空气（这是化学家的长项，一笑）。

其实空气里宝贵东西太多了。查阅百度百科：空气（air，atmosphere）主要由 氮气、氧气、稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡），二氧化碳，水以及其他物质组合而成。其中氮气的体积分数约为78%，氧气的体积分数约为21%，稀有气体的体积分数约为0.934%，二氧化碳的体积分数约为0.04%，水和杂质0.002 %。

但是，简单停留在科普水平，显然并非作者的本意。老前辈常常提醒我们：“世界上最高深的都是平淡的，最高深的道理就在平凡间”。因为这些看似平凡的问题往往潜藏世界上最本质的问题。

我们来看空气的组成成分：

（1）O2。200多年前法国科学家拉瓦锡（Lavoisier，1743～1794）用定量试验的方法测定了空气成分。他把少量汞放在密闭容器中加热12天，发现部分汞变成红色粉末HgO，同时，空气体积减少了1/5左右。通过对剩余气体的研究，他发现这部分气体不能供给呼吸，也不助燃，他误认为这全部是氮气。

拉瓦锡又把生成的红色粉末收集起来，放在另一个较小的容器中再加热，得到汞和氧气，且氧气体积恰好等于密闭容器中减少的空气体积。他把得到的氧气导入前一个容器，所得气体和空气性质完全相同。

通过实验，拉瓦锡得出了空气用氧气和氮气组成，氧气占其中的1/5。 

空气中的氧对于所有需氧生物来说都是必须的——动物呼吸需要氧气自然不在话下，但你可知道在不发生光合作用的夜晚，植物也是吸入氧气呼出二氧化碳？据此专家建议住在森林里的人不要起得太早，因为那时空气中二氧化碳含量高。

大家知道，氧气性质活泼，人们将氧气参与的反应命名为氧化反应。人体需要氧化反应提供能量，氧气是维持生命运动的重要因素。人们呼吸的空气氧气含量高，人的寿命就会延长？实际上氧气含量高，氧化速度快，意味着“消耗得更快”！这类似另外一种说法“生命在于运动”不严谨，正确的说法应该是“生命在于适当运动”。生老病死是一个自然现象，延长寿命的道理恐怕不在于此！

（2）N2。相对氧气来说，氮气的性质很不活泼，人们也经常用氮气作为食品保鲜气或化学反应中防爆的保护气体。但氮气的惰性是相对的！从事化学行业的人员都有这样的经验，氮气在许多条件下性质相当活泼，可以参与多种化学反应。比如氨就是氮气与氢气经催化反应制得。本人还写过一篇科普论文【神药二甲双胍从何而来】？文章向广大读者说明了二甲双胍分子结构中的氮来源于空气中的氮气，最后得出一个惊人的结论：二甲双胍是由空气和煤炭变来的（一笑）。另外，氮气遇到活性高的强碱比如丁基锂（BuLi），在较高温度下会生成氮化锂，所以不能用氮气作为这类反应的保护气体。笔者与一位制药高手交流时得知一个案例，颇有典型意义。他在用金属锂投料的过程中发现反应总是不完全。追根溯源，最后终于找到原因。由于市场需求快速增加，金属锂的供应商将含有氮化锂的金属锂以次充好卖给厂家，锂含量不足造成反应不完全。原来在高温冶炼过程中，生产厂家用氮气为保护气，金属锂与氮气反应生成氮化锂，在出料形成的柱状金属棒中，中间段纯度高，供应锂电池生产厂家，而首尾端纯度不高的锂段销售给制药厂家。如果不明白这个道理，把含有氮化锂的锂粒当成纯品投入反应就会因含量不足导致反应不完全，值得大家引起重视！

（3）O2与N2。空气中氧气和氮气之和达99%，其奇妙之处在于活泼的氧气与惰性的氮气以特定比例组成，一种活泼一种惰性，一阴一阳，搭配得天衣无缝。是造物主的神奇呢？还是经过千百年的进化，各种生物早已适应这种环境？也许只有天知道（哈哈）。人们将空气中氮气与氧气分开（专业术语叫”空分”），各派不同的用途。空分有两种技术：传统方法利用N2和O2的沸点差进行分离，适合大规模制备纯氮纯氧；新方法采用分子筛吸附原理（该空分技术又称变压吸附法），将空气用管道通入分子筛装置，吸收空气中O2（待吸饱后切换到另外一个分子筛装置，交替轮换），管道出口的氮气纯度可达99.9%。吸饱O2的分子筛通过解吸得到纯度较高的氧气，因为便宜可以工业利用或医用，或者放空。（世界上最宝贵最值钱的往往是免费的。尚未听说有谁取用空气过多，占用了公共资源被人举报的先例。一笑）

（4）CO2。空气中的二氧化碳含量不高，但 Enough（足够）！绿色植物利用空气中的二氧化碳和水在光作用下合成葡萄糖（换句话说，CO2是植物的粮食），进而生成各种碳水化合物，比如多糖或纤维素，部分成为各种生命体的食物养料，随着食物链转化成各种含碳有机化合物。这是地球之所以生机勃勃的重要原因。有机化合物经过或远或近的旅程，最终（比如燃烧）回到二氧化碳，完成碳循环过程。

说到这里，笔者需要纠正一种说法。有一种观点认为“地球所有能源均来自于太阳”，此观点的理由在于植物、太阳能、风能、包括化石燃料--煤炭石油，都直接或间接来源于太阳。粗看似乎有道理，但本人认为此说法欠妥，经不起深究，比如核能的利用就与太阳光没有关系。感兴趣者参见【煤炭石油天然气从何而来】。

随着工业化时代进程，许多人担心二氧化碳排放量增加会造成地球气候变化，比如温室效应，冰川融化，海平面上升等问题。作者本人猜想大气中二氧化碳含量与植物生长是否有关系？二氧化碳含量高，植物生长快，二氧化碳含量低，植物生长慢？那么大气中的二氧化碳起到天然的调节作用。为了寻找确切答案，不妨进行模拟对照试验，一个温室中二氧化碳含量高，一个温室中二氧化碳含量低，这样植物生长与二氧化碳含量的关系就一清二楚了。

（5）H2O。水太神奇啦，感兴趣者请阅读【水与道的关系--关于水的几则故事】。今天我们要探讨关于水的另外一个话题--“水从何而来”？

水与其它气体分子的不同之处在于水分子通常情况下呈现气、液、固三相，而氮气、氧气和二氧化碳一般情况下呈现气体状态，无色无味，肉眼看不见。

上文简单介绍了碳循环。关于水循环，小学《自然常识》告诉我们：水蒸发变成水蒸气，水蒸气凝聚成云，云遇到冷空气变成雨、雪、冰雹下到地面，完成水循环过程。道理浅显，似乎人人都懂，但是否真懂不得而知。

世界上的河流很多，大的如黄河、长江，但也有许多长短不一的大大小小的河流。“滚滚长江东逝水，奔流到海不复回”。那水为何源源不断，似乎无穷无尽？水究竟从何而来？

我们不妨背上背包，溯流而行，来一次“水踪之旅”。

当我们历尽千辛万苦，到达河流的尽头，也许高山顶上一个湖泊，也许是雪域草原上一个小水坑......我们不妨停下脚步，稍事休息。