英國物理學(xué)家詹姆斯·焦耳(James Prescott Joule,1818年12月24日 ─ 1889年10月11日)的名字家喻戶曉。焦耳(Joule)是國際標(biāo)準(zhǔn)中熱和功的單位,但許多人對焦耳本人的經(jīng)歷所知不多。事實(shí)上,這位物理學(xué)巨匠是一位沒有學(xué)歷和文憑的“民間科學(xué)家”。
James Prescott Joule
本文轉(zhuǎn)載自公眾號“集智俱樂部”
撰文 陳關(guān)榮(香港城市大學(xué)電機(jī)工程系講座教授,混沌與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究中心主任)
1818 年圣誕節(jié)前夜,焦耳出生在英國曼徹斯特城郊的 Salford,5 歲時被發(fā)現(xiàn)脊椎側(cè)彎,隨后幾年多次在醫(yī)院進(jìn)行矯正,但最終以失敗而放棄,讓他終生不能筆直站立。
焦耳在小學(xué)讀書時因身體缺陷常被同學(xué)嘲笑,并因喜歡在課本上涂鴉屢被老師批評。父親無奈,只好讓焦耳休學(xué),留在家里由阿姨管教,直到他 15 歲為止。平時,焦耳喜歡躺在床上看書。有一次,焦耳對父親說:“書本是我最好的旅游去處?!边@讓父親想起了被稱為“旅游教師”的約翰·道爾頓(John Dalton,1766-1844)。道爾頓經(jīng)常上課時帶學(xué)生們?nèi)ソ加危谝巴庵笇?dǎo)學(xué)生觀察、試驗(yàn)、計(jì)算和討論。父親把焦耳送進(jìn)了道爾頓主辦的私校就讀,并請道爾頓當(dāng)他的監(jiān)護(hù)人。
在學(xué)校里,道爾頓主要講授初等物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)。他本人后來成為著名的物理學(xué)家和化學(xué)家,56 歲時成為皇家學(xué)會院士,因?yàn)榈谝粋€提出“物質(zhì)由原子組成”的學(xué)說而聞名于世,今天原子量的單位便以他命名。
在道爾頓的指導(dǎo)和影響之下,焦耳逐漸走上了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的道路。那時候?qū)W校沒有實(shí)驗(yàn)室,他自己在家中的地窖里做實(shí)驗(yàn)。他早期的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)基于電學(xué)。他在地窖里放滿電池、電磁鐵、馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和檢流計(jì),其中大部分是自己動手制造的。也許是由于少年失學(xué)的緣故,動手做實(shí)驗(yàn)比讀書對他來說更具吸引力。焦耳最終沒有完成任何正式的學(xué)歷,更談不上取得什么學(xué)位。
被拒稿多次的焦耳定律
“熱”是什么呢?這曾經(jīng)是個千古難題。十八世紀(jì)末,雖然工程師詹姆斯·瓦特(James Watt,1736-1819)制造了工業(yè)用蒸汽機(jī),但是人們對其中的熱能傳遞和轉(zhuǎn)換機(jī)理并不清楚。當(dāng)年,為了解釋熱的物理本質(zhì),“熱質(zhì)”理論(caloric theory)非常流行,包括被稱為“熱力學(xué)之父”的法國物理學(xué)家薩迪·卡諾(Nicolas L。 Sadi Carnot,1796-1832),都說熱是一種沒有質(zhì)量的氣體,物體吸收熱質(zhì)后溫度就會升高,而且熱質(zhì)可以穿過固體或液體的孔隙從高溫處流到低溫處。
受到道爾頓“原子論”的啟發(fā),焦耳傾向于認(rèn)為熱是原子的運(yùn)動,熱傳導(dǎo)就是原子運(yùn)動的“能量”從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上去。但這想法需要有極為精確的實(shí)驗(yàn)加以證明。焦耳一系列的實(shí)驗(yàn)擔(dān)負(fù)起了這一艱難的重任。
1838 年,焦耳 20 歲的時候設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn),將一個小線圈繞在鐵芯上,用電流計(jì)測量感生電流,然后把線圈放入容器內(nèi)的水中,再測量出水溫,最后計(jì)算出熱量。因?yàn)闆]有外界電源供電,水溫的升高只能是電能轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果。這樣產(chǎn)生出來的熱,后人稱為“焦耳熱”。同年,焦耳在《電學(xué)年鑒》(Annals of Electricity)上發(fā)表了他第一篇學(xué)術(shù)論文“On electro-magnetic forces”,宣稱“我的目標(biāo)是,首先發(fā)現(xiàn)正確的原理,然后指出它們在應(yīng)用上的發(fā)展”,并報告了他發(fā)現(xiàn)電流可以做功的現(xiàn)象。
1840 年,22 歲的焦耳在愛爾蘭 Cork 市召開的英國科學(xué)促進(jìn)會的會議上報告了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但在座的科學(xué)家們毫無興趣。當(dāng)時很多人對這全新發(fā)現(xiàn)的來龍去脈一無所知,還有一些人對焦耳的測量精確性存有懷疑,更有一個可能的原因是他們對這位沒有學(xué)歷的業(yè)余科學(xué)家并無太大的信心。
同年,焦耳把實(shí)驗(yàn)報告寫成論文“On the Production of Heat by Voltaic Electricity”,詳細(xì)描述了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,投到《皇家學(xué)會學(xué)報》(Philosophical Transactions of the Royal Society),但被退稿。于是他改投到《皇家學(xué)會會訊》(Royal Society Proceedings),再遭拒絕。最后,焦耳把稿件投去《哲學(xué)雜志》(Philosophical Magazine)。這次,雜志同意審稿了??墒牵瑢徃迦艘笏嘧龊芏鄬?shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其結(jié)果的正確性。年少氣盛的焦耳不高興了,反過來拒絕了雜志。他回信說:“任何的機(jī)械能量釋出,最后都將轉(zhuǎn)換為熱量。能量不滅的法則獲得上帝的許可證。這是大自然最重要的法則之一?!?strong>這其實(shí)是科學(xué)史上著名的“能量守恒定律”(Principle of Conservation of Energy)的第一次吶喊。結(jié)果不言而喻,焦耳又被退稿了。
焦耳據(jù)理力爭。終于,在次年的《哲學(xué)雜志》上發(fā)表了這篇論文,報告了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:“電流在導(dǎo)線中所產(chǎn)生的熱量,等于電阻乘以電流的平方”,這就是后來著名的“焦耳定律”(Joule‘s Law)。四年后,俄國物理學(xué)家海因里?!だ愦?/strong>(Heinrich F。 E。 Lenz,1804-1865)發(fā)表了獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從旁證實(shí)了焦耳的這個電熱效應(yīng)。該定律后來也稱為“焦耳-楞次定律”。
風(fēng)云人物
那些年,沒有學(xué)位的焦耳四處碰壁,很不得意。不知什么緣故讓他鼓起勇氣,將自己的研究報告寄給了學(xué)術(shù)泰斗邁克·法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)[1]。1843 年 3 月 24 日,慧眼識真金的法拉第回信了,高度地評價了焦耳的工作:“。。。我知道在這領(lǐng)域里仍有許多朦朧不清之處,但你的文章卻如曙光破曉。我不得不說,你在自然科學(xué)的這個領(lǐng)域做出了非常重要的貢獻(xiàn)?!?/p>
于是,焦耳關(guān)于能量轉(zhuǎn)換和守恒的研究論文被《皇家學(xué)會學(xué)報》接收發(fā)表??茖W(xué)界從此知道,圈子里來了一位二十多歲的新星,他建立了熱力學(xué)第一定律也就是能量守恒定律,證明了電和熱之間的能量轉(zhuǎn)化滿足總量守恒關(guān)系,那是自然界中的一個普適的基本規(guī)律。
接下來,焦耳還試圖弄清楚機(jī)械能和熱的定量關(guān)系。1842 年,德國醫(yī)生、化學(xué)家和物理學(xué)家羅伯特·馮·邁耶(Julius Robert von Mayer,1814-1878)在《化學(xué)與藥學(xué)年鑒》(Annalen der Chemie und Pharmacie)發(fā)表了一篇論文,指出單位機(jī)械功所產(chǎn)生的熱量是一個常數(shù),不過他沒能給出這個常數(shù)的數(shù)值。1843 年,焦耳在不知道上述德文文章的情形下,在家中的地窖里獨(dú)立地做了一個成功的壓縮氣體加熱的實(shí)驗(yàn),以及一個十分精確的機(jī)械運(yùn)動生成熱的實(shí)驗(yàn)。
在這個實(shí)驗(yàn)中,他讓鋼錘自由落下,驅(qū)動中間的轉(zhuǎn)軸從而帶動容器水中的旋槳轉(zhuǎn)動。他通過對水溫的升高來測得旋槳與水磨擦而產(chǎn)生的熱量。然后,他把溫度的改變與水的比熱相乘,便得到一個數(shù)值。反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后,焦耳發(fā)現(xiàn)“無論在何處消耗機(jī)械力,都會最終獲得精確相同的熱量?!庇纱怂_定了:單位機(jī)械作功所產(chǎn)生的熱量是個常數(shù),他稱之為“熱功當(dāng)量”(mechanical equivalent of heat)。他還精確地測出了這個常數(shù),用今天的標(biāo)準(zhǔn)單位來說就是 4.18 焦/卡。雖然后人發(fā)現(xiàn)法國物理學(xué)家薩迪·卡諾的“熱質(zhì)”學(xué)說經(jīng)量化之后非常接近這個熱功當(dāng)量,但卡諾畢竟沒有走出這最后一步。1847 年,德國著名物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz,1821-1894)[2] 明確地宣稱,這個熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)同時歸功于馮·邁耶和焦耳。
焦耳的機(jī)械和熱能轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置
為了支持聲名鵲起的兒子繼續(xù)他的科學(xué)研究,焦耳的父親為他在自家經(jīng)營的啤酒廠里蓋起了一間實(shí)驗(yàn)室,并提供所有的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。隨之而來的是一些年輕的科學(xué)家,他們也利用這間實(shí)驗(yàn)室做研究,并和焦耳一起進(jìn)行熱力學(xué)與流體力學(xué)的各種實(shí)驗(yàn),包括后來著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家喬治·斯托克斯(George G。 Stokes,1819-1903)。
可是科研并不總是一帆風(fēng)順,特別是觸及到社會利益的時候便會遇到各種阻力。1843 年,焦耳以當(dāng)時工業(yè)市場最好的產(chǎn)品“可尼斯蒸汽引擎”(Cornish Stream Engines)為例,通過計(jì)算指出它百分之九十本來可以用作機(jī)械功的能量都以散熱的形式浪費(fèi)掉了。因?yàn)檫@篇報告,他招致工業(yè)界商人的猛烈攻擊,甚至多年之后還有人譏諷他只會用別人的引擎去做實(shí)驗(yàn)而自己卻無法制造出更高效的引擎。焦耳對這一切指責(zé)都不予理睬。當(dāng)年他更關(guān)注的是“能源枯竭”的長遠(yuǎn)危機(jī),并積極建議英國政府去尋找新能源。
1847 年,時為格拉斯哥大學(xué)(Glasgow University)物理學(xué)教授的開爾文(William Thomson Kelvin,1824-1907)[3],關(guān)注到了這位 29 歲年輕人焦耳的重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)并表示了支持。他和焦耳后來成為終生合作伙伴,兩人理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,聯(lián)名發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。
在蜜月里做實(shí)驗(yàn)的新郎
1847年,圣安德魯斯大學(xué)(St。 Andrews University)自然哲學(xué)系招募系主任,學(xué)校認(rèn)定焦耳為最佳人選。焦耳婉言推卻了,理由是:“我要結(jié)婚了。我將無法承接學(xué)校那些無休止的繁雜事務(wù)?!边@不是遁詞。8 月 18 日,焦耳與阿米莉亞·格萊姆斯(Amelia Grimes)女士結(jié)了婚。據(jù)說新郎帶上一支高靈敏度溫度計(jì)和新娘去法國阿爾卑斯山下的 Sallanches 度蜜月。在那山區(qū)里,新郎好幾天都跑去測定 800 多英尺高的 Cascade de l’Arpenaz 瀑布上下方的水溫進(jìn)而計(jì)算瀑布水流落差帶來的能量改變,讓新婚妻子靜坐在草地或馬車上等待他歸來。
同年,焦耳成功地進(jìn)行了一系列精確的電解和燃燒實(shí)驗(yàn),并作出結(jié)論說:“電、磁、光、聲波、化學(xué)反應(yīng),都是不同型態(tài)的能量。因此,根據(jù)能量的理論,可以把物理世界以更簡單的形式表達(dá)出來?!碑?dāng)年,那是超時代的觀念。事實(shí)上,直到 20 年之后,物理和熱力學(xué)家彼得·泰特(Peter G。 Tait,1831-1901)才在論著里明確地以“能量”的觀點(diǎn)去描述各種物理現(xiàn)象。
焦耳還通過熱的研究去探索宇宙的奧秘。當(dāng)年他計(jì)算了隕石在大氣摩擦中產(chǎn)生的熱,發(fā)現(xiàn)地球大氣層的厚度剛好能提供足夠的摩擦阻力,將大部分的隕石化成灰塵,保護(hù)了地球上的自然環(huán)境和生命。
1848 年,焦耳在實(shí)驗(yàn)中第一次精確地測量出氣體分子的運(yùn)動速度。同年,他被 1757 年建立的歐洲最杰出的學(xué)術(shù)團(tuán)體杜林皇家科學(xué)會(Turin’s Royal Academy of Science)接納為會員。這個科學(xué)會的會員包括一些著名科學(xué)家如意大利化學(xué)家阿梅代奧·阿伏伽德羅(Amedes Avogadro, 1776-1856),法國數(shù)學(xué)家約瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange, 1736-1813)、英國物理學(xué)家法拉第和天文學(xué)家威廉·赫歇爾(William Herschel, 1738-1822)。
1849 年,焦耳在牛津向英國皇家學(xué)會做了題為“On the Mechanical Equivalent of Heat”的報告。雖然當(dāng)時不少聽眾持有懷疑態(tài)度,但他的成果最后獲得了肯定,讓他在《皇家學(xué)會會刊》發(fā)表了關(guān)于“熱功當(dāng)量”的研究論文。這項(xiàng)重大貢獻(xiàn)和熱力學(xué)第一定律一起,讓焦耳成為了熱力學(xué)(thermodynamics)的奠基人之一。
1850 年,32 歲的焦耳被遴選為英國皇家學(xué)會院士。
1852 年,焦耳與開爾文聯(lián)名發(fā)表后來被稱為“焦耳-湯姆森效應(yīng)” 的論文,成為冷凍工業(yè)發(fā)展的基石。為此,英皇給焦耳頒授了國家勛章(Royal Medal)。
磨煉與歸宿
1852-1855 這幾年是焦耳人生中最艱難的一段時光。首先,他父親中風(fēng)病重,家庭啤酒廠的生意一落千丈,焦耳的實(shí)驗(yàn)室只好關(guān)閉。隨后,夫人在生第三個小孩時因難產(chǎn)失血過多而去世。接下來,英國卷入了克里米亞戰(zhàn)爭(Crimea War),讓焦耳放下科研,參加了戰(zhàn)地救死扶傷的服務(wù)工作。
1856 年之后,焦耳重新回到了他熱愛的物理實(shí)驗(yàn)研究。1860 年,他因杰出研究成績和聲望當(dāng)選為曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會主席。當(dāng)年,“土木工程學(xué)之父”約翰·斯米頓(John Smeaton, 1724-1792)和道爾頓都是這個學(xué)會的會員。焦耳在學(xué)會第一次演講的題目是“人類居住的世界”(The Plurality of Inhabited Worlds)。他說:“也許科學(xué)家無法證明其他星球有沒有生命的存在,但是科學(xué)家能夠證明,其他星球有沒有適合生命存在的環(huán)境:溫度、空氣、水、重力。即使有適合生命生存的環(huán)境,也不一定就會有高等生物存在。但是,有高等生命存在的地方,則必須要有可以學(xué)習(xí)的場所。而這場所必須建立在一個大家能夠和平相處的社區(qū)環(huán)境里?!?/p>
1873 年起,伴隨著經(jīng)常性鼻出血的疾病嚴(yán)重地干擾了焦耳的科學(xué)研究甚至日常生活。5 年后,60 歲的焦耳發(fā)表了他人生最后的一篇學(xué)術(shù)論文。
1889 年 10 月 11 日,焦耳在家中病逝,享年 71 歲。
臨終前,焦耳留下了一張紙條,上面寫道:“我已感到科學(xué)逐漸走向一個危機(jī)──科學(xué)的誤用。特別是,把科學(xué)用在戰(zhàn)爭武器的研發(fā)上。這將導(dǎo)致人類文明的滅亡。我深感難過的是,有些科學(xué)家認(rèn)為研發(fā)毀滅性的武器是為了恫嚇對方從而終止戰(zhàn)爭。這種看法是沒有道理的,因?yàn)閼?zhàn)爭的本質(zhì)是殘忍與毀滅。研發(fā)武器的科學(xué)家無法成為戰(zhàn)爭的決策者,因而他們最終會成為好戰(zhàn)政治家的工具??茖W(xué)的誤用就是偏離了正確的目標(biāo),結(jié)果強(qiáng)者越強(qiáng),弱者越弱。我的論點(diǎn)并非貶低以科學(xué)研發(fā)來保衛(wèi)國家的價值,而是批判靠科學(xué)去挑起爭端?!蹦┝?,焦耳寫道:“我的學(xué)生們啊!你們有些人也許會自認(rèn)為能夠了解歷史上的每一個大小事件,或者能夠講出世界上的每一種方言,或者能夠準(zhǔn)確地?cái)⑹雒恳环N形而上的觀念,或者能夠解出所有科學(xué)與工程的復(fù)雜難題。但是,如果沒有愛,你們將不知道如何把所學(xué)到的這一切放在正確的位置上?!?/p>
焦耳被埋葬在曼徹斯特城郊的 Brooklands 墳場。在他的墓碑上刻有數(shù)字“772.55”,那是他 1843 年測量中得到的熱功當(dāng)量值。焦耳畢生是個虔誠的基督教徒,他曾在一篇論文中寫道:“顯然,熟悉自然法則并不亞于熟悉它所表達(dá)的上帝的原意?!痹趥惗匚髅羲聝?nèi),人們?yōu)樗e行了悼念儀式并設(shè)立了一個紀(jì)念碑牌,放置在牛頓、赫歇爾、達(dá)爾文等科學(xué)家的墳?zāi)垢浇?/p>
西敏寺內(nèi)焦耳的紀(jì)念碑牌
除了寶貴的科學(xué)遺產(chǎn),焦耳還留下了一句警世恒言:“對自然及其規(guī)律的研究是一項(xiàng)基本而神圣的任務(wù),它對年輕一代的教育是非常重要甚至是必不可少的。”