被物理支配的恐惧,物理学贴吧

瞧，这个地方到处都是机械的轰鸣声，一阵阵的蒸汽带来了巨大能量，这些能量驱使庞大的机器昼夜不停地运作，他们仿佛会永远不停地运作下去。但理性告诉人们，他们早晚会因为能源的缺失或部件的损坏而停下来。这里是英国的新兴工业城市曼彻斯特。受第一次工业革命的影响，这里到处是发达的工业场所，机器的凭借着巨大的能量热火朝天地运作着，没有人知道他们哪一天会停止。这天是1818年的平安夜，这座城市的近郊降生了一个男孩儿，父母为他取名詹姆斯普雷斯科特.焦耳。

焦耳

焦耳的父亲是城市里一个成功的酒厂商人，由于焦耳的身体比较虚弱，父亲不忍将他送到学校，于是就安排焦耳在自己的酿酒厂帮忙，希望他可以尽早的了解酿酒工艺，以便未来继承家业。正因如此，焦耳从小并未接受过正规教育。

焦耳对酿酒这份工作挺感兴趣，除了日常的酿酒劳动，他还喜欢在业余时间研究研究那些跟酿酒有关的学问。也就是在这个时候，他接触到了物理化学，并且还喜欢在工厂里做一些科学实验。父亲知道儿子在这方面有兴趣之后，不但没有反对，还在酿酒厂里专门为他设立了一个实验供他使用，后来通过别人介绍就认识了当时著名的化学家道尔顿。

道尔顿

这个人我想大家应该不陌生了，他是原子论的提出者，现代化学的奠基人，同时还是色盲症的发现者。焦耳，在科学上遇到不会的问题，就会去找道尔顿请教。焦耳早期的知识积累就是这样，靠着自学加问教的方式完成的。

而常年在酿酒厂的工作，让焦尔顿准确测量的重要性，有着清楚的认识。这对她未来的科研生涯大有帮助，后来，19岁的焦尔自己研发了一台电磁机，用来取代原先酿酒使用的蒸汽机，从而大大的提升了酿酒的效率。

不要小看这个创新，这可是让自家酒厂提前进入了第二次工业革命啊。但是焦耳制造的这个电磁机有个缺陷，就是必须要靠着价格昂贵的锌电池驱动，使用这台机器确实能够加快酿酒速度，但就是要消耗的经济成本态度了，综合来看不太划算。焦耳想到了改进的方法，要从电学和热学里面找。他对这两门学科有了兴趣，并开始了他的科学探索历程。

后来他发现，相比于酿酒厂带来的钞票，科学好像更有意思。于是，他开始把精力逐渐转移到了科研上。1840年22岁的焦耳做了一个实验，他将一个电阻丝插入水中，然后再给电阻丝的两端通电，

焦耳实验简易图

这样的话，电阻丝就会因通电发热，而这个热量就会传递到水中增加水温，实验时焦耳测定了导线中电流的强度、电阻丝的电阻、通电的时间以及水的温度。他发现四者之间好像有着这样的关系，水的温度和电流的平方、导体的电阻、通电时间成正比。

焦耳定律

他将这一结论写成论文，这个实验表明了电能可以转化为热能，而这篇文章更是在之后成为了设计电灯、电炉的理论依据。而且，如今它已经是你物理课本上的焦耳定律，但可惜的是，焦耳的这篇论文当时在送给皇家学会时，根本就没有引起重视。

第二年的年底，皇家学会才将其发布出去，而论文发表出去后，得到的也只是科学界的反对声，人们无法接受电能可以转化为热能的事实。对焦耳这位业余出身的科学家更是嗤之以鼻。

为什么科学界不能接受电能可以转化为热能？这里有必要讲一下当时科学界流行的热质说，我们现在知道。温度的产生是因为物体中分子的运动。物体内部分子运动越剧烈，其温度就越高。但在19世纪前人们可不是这么认为的。当时人们对热的解释是，物体中存在一种名为热质的东西，物体中热质越多，它就越热。加热过程就是物体吸收热质的过程。而且热质还是一种流体，它会有高温物体流向低温物体，所以会出现导热和热传导现象。你看，为什么一个装有空气的气球加热后会膨胀，那就因为它吸收了热质，气球增加的体积，就是热质体积。

由于这个理论通俗易懂，所以一直占据着学术界的统治地位。当时欧洲的各大院校全都在教授着这种热质论，就连近代化学之父拉瓦锡也将热质是一种化学元素列在了自己的元素表之中。

然而，还有许多现象，热质学说是解释不了的，例如两块很凉的物体相互摩擦，结果这两个凉的东西都会发热，那么这个热量是怎么来的？哪里的热质转移到这两个凉的物体上？所以有不少科学家都对热质说表示反对，例如牛顿、笛卡尔、培根，焦耳当然也处在反对者的队列中。

他认为，所谓的热其实是物体具有的一种能量，其他形式能量例如电能、机械能也可以转化为热能。就像自己当初做那个实验，就是一个电能转化为热能的过程，根本不存在什么所谓的热质。但是当他在一场大会上宣称这个观点时，换来的却是铺天盖地的反对的声音。

焦耳知道，必须要靠实验来证明自己的观点，如果自己能设计出一个实验，证明出机械功可以转变成热量，并且计算出机械功等于多少热量。这样就可以证明热量其实和其他形式能量是同一回事，那么就可以狠狠地打那些热质说拥护者的脸。

在当时，热量的单位是卡路里，一卡路里就是一克水升温一摄氏度所需要吸收的热量。

燃烧我的卡路里

机械功的单位是千克重米，一千克重米就是将一千克重的物体抬高一米所做的机械功，一个是热量，一个是机械功，这在当时看来，这可是毫无关系的两个物理量。

焦耳很善于设计实验。他将一个搅拌器置于一个充满水的绝热容器中，旁边有两个重物，可以通过抬高和降低来控制搅拌器的所有传动。当重物上下运动时，转动的搅拌器或与水产生摩擦，绝热容器中的水会不断升温，这样就可以实现机械功到热量的转化。通过这个实验，可以测得一千克重米的功等于多少卡路里的热量。后来，焦耳经过测量，得出一卡路里等于0.428千克重米的结论。为了提高测量的精度，他在之后又将缸中的液体换成了鲸鱼油和水银，经过了先后400多次的试验，就测出了更加精确的数值。一卡路里等于0.423千克重米。这个测定非常准确，只比现代的测定，结果多了0.01%。这个比例近200年来唯一有重大改动的不是数值，而是单位的名称。

焦耳还认为，自然界中所有的能量都是不会消失的，他们只会由一种形态转变为另一种形态，就像自己的这个实验一样。如果哪里消耗了机械能，那么总会增加相当的热量，这就是我们现在所说的能量守恒。其实在较之前就已经有科学家阐述过能量守恒的思想，但却一直都没找到有力的实验佐证。

焦耳的实验极大程度地弥补了这个空缺。但是，当焦耳在英国皇家学会上宣读他的研究结果时，台下的听众都没把他说的话当回事儿。毕竟焦耳是从来没接受过正规的教育，在很多人眼中，他顶多就是个业余爱好者，他说的话能有什么参考价值呢？焦耳没有对此选择放弃，他不断地发表论文，甚至自己掏钱去参加各种学术会议。

在一场牛津举行的学术会议上焦耳发表了机械能可以转化为热能以及能量守恒的观点。突然，听众席传来了一个教授尖锐的责骂声，胡说八道，热是由于热质而产生的，和机械功有什么关系？经耳听到后，不急不忙地回答道，如果热不能转化为机械功，那么蒸汽机的活塞为什么会动？能量要是不守恒，为什么人类迟迟造不出永动机？这名叫威廉汤姆逊教授听到后哑口无言，一时竟不知怎么回答。这名教授可是当时科学界的权威人物，你可能没听过威廉汤姆逊这个名字，但你肯定听过他的另一个名字，开尔文勋爵。

威廉汤姆逊

开尔文回去之后苦思冥想，愈发感觉焦耳的理论更有道理。他再次找到焦耳，希望能够与他共同研究关于热与能量的问题。之后两人共同做了许多实验以及发表了许多论文。这一过程中又大大提升了焦耳的知名度和权威性。

焦耳汤姆逊效应，也就是气体从高压容器进入低压容器时温度会下降。这一物理现象就是两人共同实验的结果。

焦耳汤姆逊效应

在与焦耳共识的过程中，开尔文彻底改变了原先支持热质说的立场，转而支持焦耳的能量守恒与转化理论。

而在几年之后，俄国物理学家楞次经过实验，再次验证了焦耳当时提出的通电导体所产生的热量和电流的平方、导体的电阻、通电时间成正比是正确的。

楞次

楞次，这个名字我想你应该也不陌生，还记得物理课本上的那条楞次定律，那就是他的杰作。楞次这种大人物发声了，科学界才明白了焦耳在22岁时科研成果的意义。

紧接着，世界各地的许多科学家都以自己的方式验证了能量守恒与转化定律，证实了焦耳当初的想法。

到了1850年，能量守恒定律已经被科学界普遍接纳，人类对永动机几千年以来的追求，至此画上了句号，热质学说也被能量的转化理论所取代，从此退出了历史舞台，人类对世界的认知又进行了一次巨大的飞跃。

能量转换

随后，各种荣誉接踵而至，焦耳被选为了英国皇家学会的会员。紧接着，皇家勋章、外籍科学院名誉会员等等荣誉都随之到来。焦耳从未受过正规的科学教育，但却凭借着自身对科学的热爱与执着走到了金字塔的顶端。与大部分民间科学家不同的是，他从不盲目猜测，而是凭借实验的结果说话，用精准的实验结果回答那些反对者。

而焦耳的贡献，也间接促成了第二次工业革命的产生。焦耳在晚年时继续着他的研究工作。他原本可以靠着运营自家研究场衣食无忧的，但他选择了科研这条最艰难道路。后来，他的经济一度陷入窘迫，再也无力支持他的科研工作。60岁那年，他发表他人设了最后一篇论文，从此离开了科学界。1889年10月11日，焦耳在自己的家乡告别了人世，享年71岁。

为了纪念这位科学巨匠，他的遗体被安葬在了光荣的威斯敏斯特大教堂。蒸汽的能量都消散殆尽之后，就是第二次工业革命的曙光。电动机，电灯，电炉在之后相继诞生。

电能的应用场景

在这场新一轮的技术革新当中，一切都变了，就连能量单位已不再是卡路里，而是一位科学家的名字，那个小小的字母J是一位科学家一生成就的印证。