能量守恒和转化定律的发现

迈尔(1814 ~ 1878)是德国人，从小就学习医学。1840年，当他只有26岁时，他在汉堡开了一家独立诊所。他通常会问为什么，并且必须亲自观察、研究和实验。其他人嘲笑他的迷恋，但他嘲笑当时的形而上学诡辩哲学，并恨之入骨。他越来越不满意住在哮天的汉堡，他的亲戚们吵着要出去闯一闯。机会真的来了。一支船队正驶向印度尼西亚。正好，船上缺少一名医生。他很乐意申请。1840年2月22日，他开始了海上生活。

我不知道梅耶尔花了多少个日日夜夜在栏杆上看了一整天，但他看不到土地和树木。除了蓝色的大海和白色的海浪，他只是觉得气候越来越热。这一天，到达爪哇的巴达维亚(今天的雅加达)并不容易。舰队终于能够停靠在港口，人们终于能够着陆和休息。然而，由于气候和水，许多船员突然生病。迈尔用他的老方法放血治疗。在德国，对这种疾病的治疗只需要将一根针插入病人的静脉管，就会释放出黑色和红色的血液。尽管他仍然被针扎着，但这些同胞的静脉管里充满了鲜红的血液。船员们的病被治愈了，但迈尔开始头痛。他已经有了观察和思考的习惯。面对如此奇怪的事情，他的心怎么能平静下来？经过许多天的努力思考，他终于得出了一个结论。他认为:血液是红色的原因是因为它含有氧气，氧气在人体内燃烧产生热量并保持体温。因为靠近赤道，气候炎热，人体体温不需要这么多氧气来维持，血液中的耗氧量也不多，静脉管中的血液自然呈鲜红色。这个推论不一定正确，但他突然出乎意料地想到了一个人们从未想到的非常重要的问题，那就是，什么是人体内热量的转化，它是心脏的运动吗？不，他计算出只有一颗最多重500克的心脏，它运动产生的热量根本不能维持体温。似乎体温是由全身的血肉维持的，这取决于人们每天吃的食物和肉。肉是由吃草的其他动物种植的，而草是在太阳的光和热下通过生化变化而生长的。阳光从哪里来？他认为，如果太阳是一块燃烧的巨大的煤，基于每克煤6000卡路里的热量，这块巨大的煤只能燃烧4600年。看来情况并非如此，他认为这一定是由无数陨石和小行星高速撞击太阳表面造成的。他计算出太阳中心的温度是2750-5500万度(我们今天知道的实际上是1500万度)。这就是迈尔如何无休止地与各种形式的能量联系在一起。他越是想着它们，就越是想着它们。从具体到抽象，他最终认为他应该专注于一点:用什么来解释和衡量这些能量之间的转换？这是热，热。每一种能量都可以转换成热能，这是它们之间的相似之处。梅耶尔不知不觉地从狭窄的医学领域跳到了大众科学领域。

迈尔的东南亚探险不经意间给他带来了一个新的想法，他的快乐无法用语言来表达。他一回到家，就写了一篇论文《论无机圈的力量》，提出了将机械能转化为热能的想法。此外，他设计了自己的实验，发现热的机械当量为365千克米/千卡。他激动地把这篇文章带到了当时德国最权威的科学杂志《物理年鉴》上，说他必须亲自去见主编。主编波根多夫一看到这个年轻人，就问道:“你的专业是什么？”

“我是一名医生。”

"医生如何为我们的物理杂志做贡献？"

“我的新理论不仅负责医学，还负责物理和化学。所有自然学科都不能脱离它的范围。”

“年轻人，你在说疯话。”

波根多夫答应先离开报社。然而，在梅耶尔回到汉堡后，他等待左右，但没有看到文章发表。由于预料到自己不会被任何人相信，他把这篇文章扔进了一本医学杂志，并最终在1824年5月发表了这篇文章。但是没有一个物理学家注意到这个小小的医学出版物。所以他到处发表演讲，在别人的物理学术会议上发表演讲，让人们相信世界上的能量是不可摧毁的。这一天，他在一次研讨会上大声讲话:

“你看，太阳把能量洒在地球上。地球永远不会让这种能量被浪费掉，直到它长满植物，吸收阳光，并产生各种化学物质……”

然而，没有人相信他说的话，人们开始谈论它:“这纯粹是胡说八道。这是瞎猜。什么是实验基础？”事实上，梅耶尔提出的是光合作用的问题，这一点后来被俄罗斯科学家迪米特里亚杰夫证实。这是另一个故事。人们根本不想听梅耶尔的演讲。他们对他表现出极大的不尊重，并说:“看来他真的疯了。”

迈尔勃然大怒，喊道，“什么是疯狂？疯狂的人不会按照规则思考和做事，但是那些不遵守规则的人不一定是疯狂的。哥白尼、布鲁诺、伽利略和哈维不是都打破了规则，被称为疯子吗？但历史已经证明，他们是真正伟大的人！”

“哈哈，所以你想成为哥白尼！”

“你最好是个好医生，先治好你的精神疾病！”

会上有很多笑声。

迈尔非常痛苦，因为他不被理解。此外，他的两个儿子相继去世，这进一步打击了他的精神。当他走过街道时，每个人都评论道:“这是个疯狂的医生，甚至他自己的孩子也无法治愈。”渐渐地，没有人去他的诊所。他也一天比一天消瘦和狂躁。

1850年的一个晚上，他筋疲力尽地回到家。就在他走上楼梯的时候，他听到房子里有人在说话，他妻子的声音:“先生，请考虑一下，他是否应该去医院一段时间。”他向前推了推，一个当地的精神病医生正坐在沙发上。原来，他的家人也把他视为精神病人。他非常生气，掀翻了桌子，喊道:“你们都疯了。你不想让我发疯，我会离开这个充满疯子的世界！”

说完这话，他冲出房门，从阳台上跳下来，下楼去了。这家人直到半天才反应过来，看着楼下的黑暗，哭着喊着乱成一团。好不容易把他送进了医院，虽然生命得救了，但神经已经错乱了。天才就这样被语言摧毁了。

另一个名叫焦耳(1818 ~ 1889)的英国人，他和迈尔同时学习能量守恒，身体虚弱，不能上学，只能在家学习。他后来在道尔顿手下学习化学、物理和数学。焦耳的父亲是酿酒师。他为儿子离开了酿酒厂。焦耳在研究科学的时候管理酿酒厂。在长期的酝酿过程中，让他明白精确测量的重要性。自从他听说法拉第发现了电磁感应，他就一直迷恋于电学的研究。通往罗马的路真的有很多，就像迈尔认为能量转换是从静脉血的颜色开始的，焦耳可以在通电后加热，并且认为电能和热能可以相互转换。1840年，当他只有22岁的时候，他发现如果把电线放在水中，水就会变热。经过多次精细的测试，他提出了一个定律:带电导体产生的热量与电流强度、导体电阻和带电时间的平方成正比，这就是众所周知的焦耳定律。当时，焦耳把他的结论写在一篇论文中，并将其发送给英国皇家学会。然而，这篇文章直到次年10月才在《哲学》杂志上发表。

焦耳的性格毕竟不同于迈尔。他谦虚、大度，而且极具韧性。不管社会是否承认，是否重视，他总是做自己的事，不听别人的意见。他总会发现他遇到的困难。1843年，他测量了水电解产生的热量和运动线圈中感应电流产生的热量，并计算出各种能量(如化学能和电能)产生的热量相当于一定的功，即460千克米/千卡。1845年的一天，他带着最新的测量数据和实验仪器去剑桥参加一个学术会议。他当场完成了实验，并非常肯定地宣布:“自然的力量(能量)是不能被摧毁的。如果机械力(能量)被消耗掉，总会有相当多的热量。”观众都是一些著名的大科学家。他们对这个闻所未闻的理论逐一摇头。甚至法拉第也转向他周围的人说，“恐怕这是不可能的。”其中一个当时非常生气。他的名字是威廉·汤姆森(1824 ~ 1907)，后来他是英国皇家学会的主席。他今年只有21岁，但他已经是一个著名的天才学者。他的父亲是玻璃大学的数学教授。他8岁时跟随父亲去上大学的数学课。他10岁时正式被大学录取，然后去剑桥学习。他今年刚刚毕业，获得了数学学士和史密斯奖章。他认为自己数学很丰富，有天赋的人会把数学、物理和化学的规律牢记在心。听完焦耳今天奇怪的评论后，他转过身来问道:“哪位大学教授站在这个讲台上？”他被指控为曼彻斯特啤酒厂的老板。他鼻子哼了一声，说道:“原来，他是个酿酒师。他也值得来这里演讲吗？”然后起身退出会议。观众的讨论，汤姆森的举动，焦耳自然也看在眼里，听在耳朵里。然而，他并没有把这些事情放在心上，而是回家继续酿酒，同时做业余研究。他不仅用水来测量机械能转化的热量，还改变了汞、鲸油和空气。他还用铁板摩擦生热，后来精确到423.9公斤米/千卡的机械当量。这个持续的实验持续了将近4年，达到了400多次。它的毅力真是惊人。1847年，焦耳最终设计了一个科学史上著名的实验，在这个实验中，一个密封的桶装有一个桨，桨的轴与两边的重物相连。这样，下落的重量将驱动桨叶旋转，从而使桶中的水通过摩擦产生热量，并通过下落高度寻找热量的机械等效物。今年，英国科学协会在牛津召开了另一次会议。会议主席一看到他来了，就皱起眉头说，“焦耳先生，据我所知，你的东西没有得到投票的支持。最好不要再浪费时间了。”

“我匆匆赶来只是为了得到支持。我相信在现场表演之后，这些聪明的教授们会理解原因并支持我。”

“那很好，但是时间确实有限。请只介绍实验，报告是不必要的。”

“是的。”

焦耳安装了他的仪器，转动了曲柄，升高和降低了重量，并测量了桶内水的温度。他说，“你看，机械能可以定量转化为热量，反过来，1000卡路里的热量相当于423.9公斤大米。”

他还没说完，突然一个人从观众中站起来喊道:“这是胡说八道！热是一种物质，一种发热元素，与功无关。”焦耳抬起头，说是汤姆森。没想到，他今天又来了。这真是一条狭窄的路。现在汤姆森是玻璃大学的教授，并获得了巨大的成功。焦耳比汤姆森大6岁，仍然是一名酿酒师。焦耳对汤姆森的粗鲁没有得到怨恨的回应。他让自己平静下来，用温和的语气说道:“热不能做功，那么为什么蒸汽机中的活塞会移动呢？如果能量不守恒，为什么永动机不能总是被制造出来？”

啤酒酿造者不慌不忙、软硬兼施的话语立刻让会议厅鸦雀无声。虽然焦耳没有教授的风范，但他在酿酒厂受过专门训练和熟练的操作技能、精细的计算和推理都无懈可击。再加上他谦逊的眼神和真诚的微笑，这些教授不得不认真思考，然后一个接一个地站起来发言。辩论非常激烈。他们上前用手观察和触摸，并仔细检查了焦耳的仪器。它非常新颖简洁。他们不得不佩服酿酒人的智慧。

此外，汤姆森认为他更聪明、更有才华。他不想在今天的会议上被这个钉子弄得尴尬。回到学校后，他也开始了自己的实验。不久，他在资料室随便翻看旧杂志，却发现几年前梅耶尔发表的论文与焦耳的完全吻合，这让他大吃一惊。他赶紧把纸藏在怀里，带着他最新的实验结果去见焦耳。他决心道歉，并希望焦耳原谅他过去的傲慢，一起讨论这个伟大的发现。

当汤姆森来到酿酒厂时，他看到了所有的酒糟和瓶子。他询问焦耳的情况，其他人指向一所房子。他推门进来。酒精的味道充满了他的鼻孔，雾气充满了他的鼻孔。只有一个穿着帆布围裙的大个子在指挥工人添加材料和水。他一眼就认出这就是在舞台上做了两次演讲的人。他急忙上前几步，说道:“焦耳先生，汤姆森来拜访您了。”焦耳把手里装满了葡萄糖浆。回顾过去，他是这一理论的敌人。看着他直直的教授的衣服和真诚的举止，我不知道发生了什么。忙用手在围裙上擦了两下，喊道，“是你，汤姆森教授。去实验室休息一下。”

两个人静静地坐在实验室里。汤姆森看了看他的实验室，里面堆满了酒瓶、罐子和各种替代仪器，暗暗为焦耳不屈不挠的精神所感动。焦耳洗了手，换了衣服后，他站起来说:“焦耳先生，看来你是对的。我今天来是为了道歉。”

“哪里，哪里。我还有很多地方不明白，我要向你请教。”

“你看，直到我读了这篇论文，我才意识到你是对的。”他一边说，一边拿出迈尔的文章。

焦耳没有看，但是当他看的时候，他脸上的笑容突然消失了:“汤姆森教授，很遗憾你不能再和他面对面地讨论这个问题了。这样一个伟大的天才跳楼自杀了，因为他不被理解。”

“啊？”汤姆森睁着眼睛像鸡蛋一样大叫，“他不再活着了吗？”

“是的，但是我疯了。我现在在精神病院，恐怕不能康复。”

汤姆森低下头，久久说不出话来。过了一会儿，他抬起头，用真诚的眼神看着焦耳的眼睛，说:“我真的很抱歉。直到现在我才知道我的内疚。过去，我，我们这些人给了你很大的压力。焦耳先生，请原谅我。科学家有时在新思想和新事物面前表现得非常无知。”

焦耳连忙上前帮他坐下，说道，“汤姆森教授，请不要这样说。这是因为我的实验有许多不完善之处，很难立即说服人们。”为了缓和气氛，他补充道:“此外，我总是自嘲。不管怎样，我这里有很多酒。如果我在感觉不舒服的时候喝了几大杯，我会很难过，然后就离开了。所以我经常喝醉，但我永远不会发疯。”然后他突然大笑起来。

从那以后，焦耳和汤姆森成了一对亲密的朋友。毕竟，汤姆森接受了特殊训练，1853年他帮助焦耳最终完成了能量守恒和转换定律的精确表达。在这一点上，辩证唯物主义产生的基础，能量转换和能量守恒定律，自然科学的三大发现之一，已经得到承认。后来，两人共同发现了著名的汤姆逊-焦耳效应，即气体在压力下通过一个狭窄的孔后膨胀和冷却，为现代低温工程奠定了基础。