能量守恒定律

物质不灭定律的发现，是科学史上的一件大事。然而，物质不灭定律只是说明了在燃烧过程中物质不灭，至于在燃烧过程中发出的光和热，这些能量从哪儿来的，又跑到哪儿去了，它并没有回答。也就是说，在这里涉及燃烧过程中的另一个重要问题——能量是不是守恒？这事儿得从意大利物理学家西蒙·斯台文在1586年出版的一本力学专著说起。在这本著作里，斯台文用铁的事实，批驳了著名古希腊科学家亚里士多德的错误观点。亚里士多德认为，如果两个物体从高处落下来，重的物体先着地，轻的物体后落地。千百年来，谁也没有怀疑过亚里士多德的话，以为是理所当然的。
     然而，会计员出身的斯台文在他的著作中，却详细记述了他的实验：“反对亚里士多德的实验是这样的：让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下来，落在一块木板或者是什么可以发生清晰响声的东西上面，那么，我们会看出轻铅球并不需要比重铅球10倍的时间，而是同时落到木板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”[50]斯台文以不可辩驳的实验，证明了大名鼎鼎的亚里士多德错了！在科学上，所尊重的只是实践，而不尊崇任何偶像！不久，著名的意大利物理学家伽利略继续钻研这一个问题，又进一步发现：落下来的物体的速度，是随着时间而均匀地增加的。如果把一个从 10米高处落下的物体抛回10米的高度，那么，抛出的速度正好等于物体从 10米高处快落到地面时的速度。伽利略把物体的质量与速度的乘积（即mv）称为“动量”。他认为物体的动量是守恒的。伽利略只是作了初步的探索。到了 1824 年，法国的一位 20 多岁的青年工程师萨迪·卡诺（1796—1832），十分起劲地研究着蒸汽机。卡诺虔诚地信仰热素学说，以为物体之所以热，是因为含有“热素”的缘故。
     卡诺从对蒸汽机的研究中，认为在蒸汽机工作时，热素的量——热量并没有减少，总热量是不变有，只不过从高温的地方“流”到了低温的地方，仿佛水从高处流到低处，推动了水轮机工作，而水的总量并没有减少。正因为这样，恩格斯认为，“萨迪·卡诺是第一个认真研究这个问题（即能量守恒问题——编著者注）的人”[51]，然而，“阻碍他完全解决这个问题的，并不是事实材料的不足，而只是一个先入为主的错误理论”[52]。到了1830年，卡诺在实践中发现热素理论错了，在他的笔记中曾这样写道：“热不是别的东西，……它是一种运动。”“动力（能量）是自然界的一个不变量，准确地说，它既不能产生，也不能消灭。”可惜的是，过了两年——卡诺还只36岁，竟不幸死去。他的这些笔记，直到他死后40多年，才被人们所发现！也就在这时候，一位德国的青年医生罗伯特·迈尔（1814—1878）开始钻研这个问题。当时，迈尔在一艘远洋轮船上担任船医。他发现，当船在热带航行时，从病人静脉中抽出来的血液，要比在欧洲时更红一些。这是为什么呢？迈尔想，大约是热带气温高，人体消耗的热量少，于是血液从人体中吸收的养料也比较少；养料在血液中氧化减少，所以静脉中含氧比较多，于是颜色就红一些。
     迈尔从中得到启发，懂得养料中的化学能，可以转化为热能。他认为，有多少化学能，就只能转化为多少热能，转化时能量不会增多，也不会减少。1814年，年仅27 岁的迈尔大胆地写了一篇论文《关于非生物界各种力的意见》，明确地提出能量“无不生有，有不变无”，认为各种形式的能量可以互相转化，但是转化前后的总能量是守恒的。迈尔把论文寄给了当时的学术界享有盛誉的德国《物理学和化学年鉴》杂志。这家杂志的主编波根道夫对这位“无名小卒”的来稿理也不理，不仅不发表，连原稿都没有退还给他。迈尔并不灰心，坚信真理在他手中。迈尔又写了几篇论文，更加明确地论述了能量守恒的原理。这些论文寄出去以后，仍如石沉大海，毫无回音。迈尔没办法，到后来，他把自己仅有的一点积蓄拿出来，在一家杂志上自费发表了论文。谁知论文的发表，给迈尔招来了灾难。当时那些科学界的权威们满脑子是“热素”、“燃素”之类神秘的“素”，把迈尔的理论视为“邪说异端”。于是，有人造谣说迈尔患了精神病，才写出那样胡说八道的文章，竟然把迈尔关进了疯人院！无独有偶。
     在英国，一位名叫焦耳的青年酿酒商人，利用业余时间，对电流通过电阻时产生的发热现象，进行了认真的研究。1840年，年仅22 岁的焦耳发表了论文《论伏打电所产生的热》，提出了他经过多次实验发现的一条定律：当电流通过导体时，导体在一定时间内产生的热量同导体的电阻和电流强度平方的乘积成正比。在这里，焦耳不仅指出了电能会转化为热能，而且以精确的数学公式表明了转换规律。过了3年，焦耳又发表了论文《论磁电的热量效应和热的机械值》，清楚地指出：“那里消耗了机械力，总能得到相当的热。”焦耳以自己精确的实验为依据，说明“使一磅水增加1°F的热量等于把770磅[53]物体提高1英尺的机械功。”焦耳的论文同样被当时的科学界权威们嗤之以鼻，不予理睬。然而，焦耳是个勇往直前的年青人，他坚持做了大量的实验，以精确的数据有力地说明各种能量在转化时确实是守恒的。这些精确的实验，是无法抹煞的！经过整整10年的奋战，焦耳接二连三地发表了一系列论文，这才逐渐引起了各国科学界的重视。
     与此同时，许多不同国籍的科学家各自独立地进行着这方面的研究：丹麦28岁的科学家柯尔丁（1815—1888），通过对摩擦生热现象的研究，写成了关于能量守恒定律的论文，送给哥本哈根科学院。1847年，德国年仅26 岁的军医赫尔曼·赫尔姆霍茨（1821—1894）写了论文《论力的守恒》，阐述能量守恒的思想。他的论文寄到《物理学和化学年鉴》杂志，同样被主编波根道夫所压制，没有发表。后来，赫尔姆霍茨自费印刷了这篇论文。1842年，英国31 岁的律师格罗夫（1811—1896），也独立地提出了能量守恒定律。……就这样，在一批年青的、各种职业的业余科学家们的努力之下，终于用排炮轰开了那些科学界“权威人士”的顽固脑壳，使他们不得不在事实面前，承认了能量守恒定律——自然界的又一重要定律。
     恩格斯把能量守恒定律作为19世纪的三大发现（能量守恒定律、细胞学说、达尔文进化论）之一，热烈地赞颂它：“第一是由热的机械当量的发现（罗伯特·迈尔、焦耳和柯尔丁）所导致的能量转化的证明。自然界中所有无数起作用的原因，过去一直被看作一种神秘的不可解释的存在物，即所谓力——机械力、热、放射（光和辐射热）、电、磁、化学化合力和分解力，现在都已经证明是同一种能（即运动）的特殊形式，即存在方式；我们不仅可以证明，它在自然界中经常从一种形式转化到另一种形式，而且甚至可以在实验室中和工业中实现这种转化，使某一形式的一定量的能总是相当于另一形式的一定量的能。……自然界中整个运动的统一，现在已经不再是哲学的论断，而是自然科学的事实了。”