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虽然大气是人类生存不可或缺之物，但在科学革命之前，我们对其组成与性质几乎一无所知。直到1643年，伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564—1642）和他的学生托里拆利经过大量认真设计的实验，才终于向世人揭示出一个简单的事实——大气具有重量。尽管其密度约只有水的八百分之一，但这种看似微不足道的重量累积了100千米之后形成了巨大的大气压，它使得吸管和活塞水泵可以工作。
对于这个事实，没有一个实验能像马德堡半球实验那样让人们记忆深刻，不过有一位意大利神父却从中看到了不一样的东西。
这位名叫弗朗切斯科·拉纳（Francesco Lana，1631—1687）的神父开始从另一个角度思考大气具有重量的事实。他认为大气的性质与水类似，而在水中，一个低于其密度的木块可以上浮，这就意味着，一个密度低于空气的物体可以在大气中上浮，照此推论下去就是利用此种物体能制造出可以浮在空中的飞船。
不过其中依然有一个困难，当时没人知道任何一种比空气轻的物质。但得益于托里拆利等人的实验，拉纳神父想出了一个绕过此困难的方法——利用真空。真空显然比空气更轻，因此不需要物质本身的密度低于空气，只需要包裹真空的容器的平均密度低于空气即可。
1670年，拉纳神父给出了自己的飞船设计（见图1-1）。飞船的主体是一艘小帆船，由4个抽成真空的巨大铜球壳作为浮子提供升力。
图1-1 拉纳设计的飞船（约1670年）
如果仅从这幅图出发，我们很容易将其归为异想天开，但仔细看过拉纳的论述之后就能发现，这个方案其实并没有看上去那么荒诞。因为拉纳不仅是一名神父，还做过布雷西亚大学的数学和物理学教授，他不仅给出了设想，还对自己的设计进行了必要的论证和计算。
拉纳指出，尽管铜的密度远高于空气，但是只要球壳的厚度不变，那么随着半径的增加，球壳的重量按照平方关系增加，而球体的体积则按照立方关系增加，即浮力的增长大于重力。因此，只要足够大，真空球壳的平均密度就会小于空气。
在拉纳的设计中，浮子的直径为7.5米，结合古老的阿基米德浮力定律，他正确地算出浮子排开空气的质量为285千克。他设计的球壳质量为180千克，因此4个浮子就有420千克的载重能力，这足以带动一艘轻便的小艇以及6名乘客。他甚至颇有预见地指出，这种飞船一旦制造出来，就会在战争中派上大用场。
可惜拉纳一生也没能将自己的飞船造出来，甚至连造出一个浮子的尝试都没成功。这位神父将失败的原因归结为上帝。他说：“上帝不允许这样的机器被制造出来，因为没有一座城市能从高空扔下的铁块、火球和炸弹中幸免于难。”
不过真正阻止拉纳神父造出飞船的并不是上帝，而是空气本身。拉纳在利用真空产生浮力时忽略了一个重要问题，那就是大气压力，而这也是马德堡半球实验最明显的启示。虽说球壳结构的确如他所说具有鸡蛋壳那种优异的抗压性，但不难算出他的180千克铜球壳厚度仅有0.1毫米。在1个大气压下，整个球壳表面积上的压力约有17885000牛顿，如此脆弱的薄壳结构是完全支持不住的。
尽管拉纳的努力归于失败，但他却完成了前人没能实现的进步——第一次把科学计算引入了飞行器设计中，因此后人尊称他为“航空学之父”。而这一年（1670年）距离艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643—1727）发表《自然哲学中的数学原理》还有17年。
其实在当时众多飞行器的设想中，拉纳给出的“浮空”路线只能算是小众，而模仿鸟类的那种扑翼机（Ornithopter）才是主流。比如大名鼎鼎的达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452—1519）手稿中就出现了几种扑翼机的设计图（见图1-2和图1-3）。
图1-2 达·芬奇的飞行器设计图手稿（约1488年）
图1-3 后人制造的达·芬奇飞行器实物模型
没有确切的资料显示达·芬奇曾经制造过这些飞行器，但可以肯定的是，尽管鸟类飞行是我们最常见的景象，但在所有人类飞行的技术路线中，扑翼机是最困难的一种。所以这个领域的天才如达·芬奇恐怕也逃脱不了失败的命运。
相对来说，“浮空”路线所用到的原理要简单得多，只需要找到一种更轻的气体充入一个薄壁容器，利用内部气体的压力抵消外界的大气压，拉纳浮子的制造性困难就烟消云散了。即使如此，“浮空”路线直到100多年后才由法国的一对兄弟走通。
孟格菲兄弟（Joseph-Michel Montgolfier，1740—1810；Jacques-Étienne Montgolfier，1745—1799）诞生于一个富裕的造纸商家庭。哥哥约瑟夫很早就对飞行产生了兴趣。据说1771年的时候，他曾使用降落伞装置从自家房顶上跳下来。后来兄弟两人从空中飘浮的云朵中得到启发，尝试将水蒸气充入一个容器。水蒸气的密度的确低于空气，但是它有一个严重问题，就是遇冷会凝结。因此，两人的实验毫无悬念地失败了。
1776年，两人得知了一种新的密度很低的气体。这种由活泼金属和酸反应得到的气体名为氢气，它最初由英国人卡文迪许在10年前发现。曾经有人将氢气吹入肥皂泡中，这种肥皂泡显示出了快速升空的能力。可惜的是，孟格菲兄弟使用纸袋来收集氢气，而氢气则通过纸张上的孔隙很快逸散了出去。两人的实验再次失败。
又过了6年，兄弟两人终于找到了另外一种密度低于空气的物质。据哥哥约瑟夫后来讲述，他是从火堆上升的青烟中得到的启发。其实约瑟夫当初并没有弄懂烟气升空的真正原因，他以为燃烧产生的烟是一种很轻的特殊气体，他还将其命名为“孟格菲气”。这就解释了为什么在早期的热气球实验中孟格菲兄弟的做法显得有些笨拙。兄弟两人是在地面上架起火堆对气球下方的空气加热的。他们认为，一旦气球收集到足够的“孟格菲气”，它就会浮起，这种浮力的获得像氢气球一样是一劳永逸的。
实际上根本不存在什么“孟格菲气”，比空气密度小的气体就是加热后的空气本身。寻找了这么久更轻的气体，真是远在天边，近在眼前。兄弟两人应该不知道早在1500多年前中国人就发现了这个事实，并且发明出了孔明灯。孔明灯最初作为军事信号使用，后来流传开来成为一种祝福仪式。这种自带一小团燃料升空的纸盒一般在夜晚放飞，只要火苗不熄灭，它们就能一直飘浮在空中。
像兄弟两人的那种加热方式，一旦气球升起热量，供给就中断了。随着气球的上升，内部空气逐渐冷却，密度变大，气球便会下降。可以预料，这种热气球的飞行时间不会太长。不过这一点并不要紧，因为孟格菲兄弟已经想到了一个同样可以惊艳世人的方案——造一个超大的热气球。
这个热气球直径将近11米，体积达到了793立方米，自重为227千克。气球的球身使用麻布做基底，并用胶水将3层纸糊在内表面上防止漏气。球身由4块带状布料围成，它们之间使用了1800枚扣子进行连接。为了对经向进行加固，两人还在气球外面罩上了一张粗绳编织的渔网。
1783年6月4日，兄弟两人在阿诺奈市（Annonay）进行了第一次公开展示。他们搭建了一个摆放气球的台子，在下面点燃了羊毛和干草，不久气球就开始浮起。此时两侧有人用绳索拉拽，达到足够的浮力后，兄弟两人释放了热气球。这个热气球一下子就飘到了超过1000米高的空中，然后随风飘了2000米才最终落下。整个滞空时间达到了10分钟。
孟格菲兄弟成功的消息很快传到了巴黎，他们获准在巴黎进行热气球演示。一位壁纸大亨马上找到他们，开始合作制造更大的热气球。不过这一次，兄弟两人有了更大的野心——他们要将人类送上天空。