《人類科學技術史-272》能量轉化與守恒定律的確立

能量轉化與守恒定律的確立

能量轉化與守恒定律的發現是起源于對運動的量度和運動不滅的思想，但是它的確立卻經歷了漫長曲折的歷史進程，直到19世紀中葉才作為自然界的一條普遍定律為科學界接受。

早在1644年，哲學家和物理學家笛卡爾(1596──1650，法國）的《哲學原理》一書中就明確提出："物質有一定量的運動，這個量是從來不增加也從來不減少的。"他用質量和速度的乘積量度物質運動的量，因此他表述的實質上是力學中的動量守恒的思想。稍后，惠更斯(1629──1695，法國）提出過一條與碰撞有關的定理，認為碰撞物的質量和速度平方乘積的總和在碰撞前后保持不變。這啟迪人們重新思考運動量的量度問題。1696年，萊布尼茨(1646──1716，法國）指出：運動有兩種量度，因為動力有兩種，一種叫"死力"，另一種叫"活力"。動量是"死力"的量度，mv2則是"活力"的量度，自然界中真正守恒的是總的"活力"。他的觀點影響了很長的一段歷史時期，直到19世紀，科里奧利(1792──1843年，法國）才建議用mv2，代替mv2，后來叫做動能。1829年，工程師彭塞利(1788-1867年，法國）使用了"功"這一術語，并由科里奧利定義：力和受力點沿力的方向位移之積叫"運動的功"。這樣人們才明確：所作的功等于增加的動能。

促使人們在19世紀確認這一偉大定律還有一個不容忽視的背景。那就是一系列重大的發現揭示了各種自然現象間的普遍聯系和相互轉化關系。主要有：1798年，本杰明.湯普遜(1753-1814年，英國）和戴維(1778-1831，英國）用摩擦生熱證明機械運動可以轉化為熱。1821年，塞貝克(1770-1831年，德國）發現了溫差電現象，證明熱可以轉化為電。1840年，焦耳定律指明電轉化為熱的規律。1821年，法拉弟(1791-1867年，英國）發明了"電磁旋轉器"，表明電轉化為機械運動；1820年，奧斯特(1777-1851年，丹麥）發現了電流的磁效應，后來法拉弟完成了電磁感應定律的研究，從而證明電和磁間的相互轉化；1801年，李特爾(1776-1810年，德國）研究了紫外光的化學作用；1839年，貝克勒爾(1820-1909年，法國）發現光照可以改變電池的電動勢等等。這一切啟發歐洲的科學家們以一種"統一"的和"相互聯系"的觀點去認識自然界的現象。

19世紀40年代，屬于歐洲幾個國家的十多位學者，從不同專業，用不同的方式，各自獨立地發現了能量轉化與守恒定律，其中的代表者是邁爾、焦耳和亥姆霍茲。

羅伯特.邁爾(1814-1878年，德國）是一位醫生。1840年他作為隨船醫生航行至印度尼西亞，在赤道附近他意外地注意到海員靜脈的血比在歐洲時要鮮紅些。當時已經證明血的顏色鮮紅表明血中含氧量高，邁爾想到一定是在熱帶肌體消耗的熱量較少，所以食物燃燒過程減弱，耗氧量少，靜脈血中留下的氧增多，顏色就鮮紅。1841年他在一封信中寫道：化學家們認為的基本規律是物質不可破滅的……我們應該把完全同樣的規律用在力上。力同物質一樣，也是不可破滅的，它們加入不同的組合，當某種舊的形式消失了，又會形成新的形式。"這里說的力是指能量。顯然他從上面的例子已經認識到食物所含的化學能可以轉化為熱。后來他又從海浪沖擊使水溫升高的現象認識到機械運動與熱的關系。

1841年，他的第一篇論文《論力的量和質的定義》沒有被接受。1842年，他在《論無機界的力》中寫道："力是不滅的、能轉化的、無重量的客體"。這篇論文發表在李比希主編的《化學與藥學年鑒》上。恩格斯因此認為這是劃時代的一年。

1845年，他自費出版《論有機運動和新陳代謝》一書。他指出，力的轉化與守恒是支配宇宙的普遍規律。他把力分為五種：運動的力，在彈性碰撞上表現為活力守恒；下落的力，它和運動的力相互轉化，這種"機械效應將保持為一個恒量"；熱，"熱力是指轉化為運動的力"；電力和化學力。他還把這五種力畫在一張表上，說明各種力相互轉化的25種情況，得出了否定熱質和其它無重量流質假說的結論。邁爾從幾個實例出發計算了熱功當量，他得到的計算值是J＝3.48焦耳／卡。

邁爾個人的遭遇是不幸的，多次受到嘲諷和打擊。1849年，他跳樓自殺時受傷，不久被送進瘋人院，直到1862年才恢復科學活動。

焦耳(1818-1989年，英國）是曼徹斯特一位啤酒商。從年輕時起就從事電學、磁學和化學的業余研究，他用畢生精力完成了熱功當量的測定，從而確立了能量轉化與守恒定律的實驗基礎。

從1840年到1841年，焦耳研究了電轉化為熱的現象，他發現了著名的焦耳定律。1843年，他發表了《論磁電的熱效應和熱和機械值》一文，他設計了一個實驗，使線圈在一個電磁鐵的兩極間轉動，所產生的感生電流又使線圈發熱，焦耳測量了線圈中產生的熱量；線圈的轉動是由下落的砝碼通過滑輪帶動的，這樣就可以計算出砝碼作的功。由此計算出的熱功當量平均值是"能使一磅水升高華氏一度的熱量，等于(可轉化為）把838磅重物舉高1英尺的機械力。他最后的結論是："由于創世主的意志，自然界的全部動因是不變的。因此，有多少機械力被消耗掉，就有完全等量的熱被得到"。他在1845年研究了空氣的絕熱壓縮和真空中空氣自由膨脹實驗，得到熱功當量的值是436千克米／千卡和438千克米／千卡。1850年，他在《論熱功當量》的論文中總結了全部工作，并在文中給出了現在教科書所介紹的測定熱功當量的方法，這一次的結果是425.77千克米／千卡。焦耳的實驗測定一直延續到1878年，前后40年中共完成400多次實驗。焦耳的工作一度不受重視，直到1850年他的觀點才被權威學者們接受，他本人在這一年當選為英國皇家學會會員。

赫爾姆霍茨(1821-1894年，德國）是一位生理學家、物理學家及數學家。他通過生理學的研究獨立地得到了相同的結論。1847年，他寫了《論力的守恒》，論述力的不滅原理，他說："所有活力和張力之和始終是一個常數。這條最具有普遍形式的定律，可以稱為力的守恒原理。"所謂"張力"即指勢能；所謂"活力"即指動能。他還證明：在有摩擦的條件下，"損失掉的活力將轉變為其它力(能量），首先是熱"。當這一著作出版時，柏林科學院中竟然只有數學家雅可俾支持他的觀點。

在同一歷史時期幾乎同時發現這一定律的還有法國工程師卡諾、英國律師格羅夫、丹麥物理學家柯爾丁、法國物理學家法拉弟等十多人。這里要特別提到青年工程師卡諾(1796-1832年，法國）的貢獻。卡諾原是"熱質說"的擁護者，但通過熱機循環的研究，使他在1830年意識到"熱質說"的錯誤。他在筆記中寫道，"熱不是什么別的東西，而是動力，或者說它是改變了形式的運動"，"因此，人們可以得到一個普遍的命題：在自然界中存在的動力，在量上是不消滅的。準確地說，它既不會創生也不會消滅，實際上，它只改變了自身的形式"。不幸的是卡諾英年早逝，他的遺稿直到1873年才公布，其時能量守恒定律早已得到公認。

在19世紀人們提到能量往往使用力這個詞表述，事實上在1807年英國的托馬斯.楊已創造了"能"這個術語。當科里奧利定義了"功"后，托馬斯.楊于是定義能量是"作了功的力"。1853年，英國的理論物理學家開爾文(1824-1907，英國）對能量下了嚴格的定義，"我們把給定狀態中的物質系統的能量表示為：當它從這個給定狀態無論以什么方式過渡到任意一個固定的零態時，在系統外所產生的用機械功單位來量度的各種作用的總和。"自這時起人們使用"能量守恒"這個詞而很少說"力的守恒"。

能量轉化和守恒定律的發現是19世紀最偉大的發現之一，也是自牛頓力學建立以來物理學的最重要的成就。它表明自然界的一切現象都存在密切的聯系，一方面各種物質的各種運動形式，例如機械的、電的、熱的、磁的等等在一定條件下發生相互轉化。另一方面各種運動可以用同一個概念"能量"去量度，并且物質世界的總能量在一定條件下守恒，從而證明了物質世界的同一性和物質運動的永恒。恩格斯強調了能量相互轉化的重要性，他說："自然界中所有無數起作用的原因……現在都已經證明是同一種能(即運動）的特殊形式，即存在方式；我們不僅可以證明，它在自然界中經常從一種形式轉化為另一種形式，而且甚至可以在實驗室中和工業中實現這種轉化，使某一形式的一定量的能總是相當于另一形式一定量的能。"因此，"自然界中整個運動的統一，現在已經不再是哲學的論斷，而是自然科學的事實了。"