能量守恒原理的发现

多年以前，在19世纪中叶到来之前，人们曾经有过奇妙的想法：能不能建造永动机。

很多人设计过一系列的试验，著名的科学家兼艺术天才达•芬奇就设想过很多方案。无数人的努力均宣告失败。

直到能量守恒定律的提出并完全确认，人们才从幻想中走出。

“能量”是英国物理学家和医生托马斯•杨于1807年最先提出的。

最初发现物体运动的总量守恒的特点是法国大哲学家、数学家和物理学家笛卡尔。

他在1644年的《哲学原理》中提出了运动不灭的思想。

“运动实际上不过是运动物体的一种状态，但它具有一定的量，不难设想，这个量在整个宇宙中会是守恒的，尽管在任何一个部分中是在变化的”。他还指出，这个守恒的运动的量就是物体的质量与速度之积（这后来成为“动量”的内涵）。

1686年，德国数学家、微积分的创始人之一莱布尼茨发现，物体的质量与速度的积的平方也为恒量。莱布尼茨称其为“活力”，并认为只有“活力”才能真正代表运动的量。

关于运动的量度，笛卡尔的后继人与莱布尼茨的后继学派展开50多年的争论。

他们两人在17世纪作出的发现局限在机械能方面，没有将宇宙间的运动概括进去，没能真正提出宇宙能量的守恒原理。

18世纪末，热质说占了统治地位。美国物理学家汤姆逊（1753～1814年）推翻了热质说，推动了能量守恒原理的发展。1798年，汤姆逊在慕尼黑做摩擦生热的实验。

他用一支十分粗钝的钻头来摩擦炮身，连续达两三个小时，结果这次摩擦生出的热使冷水达到沸点。

这说明运动生热，热不是一种实体，不是一种物质，而是物质的存在方式转化，动能转化为热能。热质说基本站不住脚了。

卡诺是第一个发现能量守恒原理思想的人。一般认为，真正最早提出广义能量守恒原理的是德国青年医生迈尔。

1840年，迈尔26岁。他以“船医”的身份跟随荷兰驶往东印度的船到达过爪哇。

在为船员们医治时，他发现，人们血管中的静脉血在赤道等热带地区要比在欧洲时红亮。

迈尔是一名具有物理化学基础的人，他提出，血液转红亮是富含氧较多的结果。他同时研究动物热的问题。

在这个过程中，由食物到运动，迈尔产生了想法：人的有机体只需要吸收食物中较少的热量，在高热带环境中就可以了。人的体热和肌肉的机械作功之能量，均来源于食物，即化学能。

他进一步认识到，体力体热既然都来源于化学能，如果动物体能量的输入。输出保持平衡的话，那么所有这些形式的能量就必定守恒。

19世纪上半叶以前，科学史专家认为：“人们有一种预感：存在着一种‘力’，它按着各种情况以机械运动、化学亲和性、电、光、热、磁等等不同形式出现，它们之间的任何一种形式都可以转化为另外的一种形式。”

从伏打电池化学能转化为物理能，从英国尼科尔逊用电池电解水又将物理电能转为化学能，以及奥斯特、安培等揭示的电能向机械能转化，法拉第又揭示了机械能的反向转化为电能，这一系列的学说、实验，使得研究相互转化的条件成熟。

从19世纪40年代开始，在世界范围内掀起了19世纪大定律的发现热潮。十几个不同身份不同国籍的学者几乎同时提出了广义的能量原理，他们的工作方式，提出角度更证明了这一原理的科学普遍性。

在这当中，迈尔无疑是第一位的。

1842年，迈尔写了《论无机自然界的力》，指出力（能量）像物质一样也是一种“原因”，而一切因的首要性质是“不灭性”。他说“力是不可毁灭的而可转化的无重客体”。

这就从因和果的不灭性上论证了“力（能量）”的不灭性。

这篇文章浓重的德国传统色彩太过思辨了，也真是令人称奇。几经周折，论文在《化学和药物学杂志》发表。但是人们不理解，也没有引起注意。

之后，迈尔又继续投稿，阐述能量的守恒和转化。但是由于这种纯哲学的色彩和基础，物理学界始终不承认。甚至在迈尔计算出热功当量值的时候，物理学界仍然给予了蔑视。

最后，迈尔的推论日趋严格准确，范围越来越广，直至化学、天文、生命科学，涵盖当今宇宙的一切现象本质。

在能量守恒定律的实验证明上最早作出重要贡献的是焦耳。然而这也是科学史所认识到的，在焦耳生前，没有受到划时代工作应有的认识。

焦耳几乎与迈尔同时提出能量守恒概念。

在1818年，焦耳生于英国的兰格良尔。他的父亲是一位富有的啤酒商。

在幼年时，焦耳的身体便不好，因此他一直在家学习，没有取得高等学位。因为家境很好，所以在小时候，父亲就为他置办了他喜爱的实验器具。

焦耳对实验十分热爱，特别是喜欢极其精确的测量工作。

1833年后，焦耳接替父亲管理啤酒厂，成为一名企业家。他在繁忙的工作之余，把全部精力放在了实验研究上。

这位业余物理学家一直研究关于功与热量的度量。

1840年，焦耳发现电流具有热效应，电和热相互转化的焦耳定律提出：导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比，与电流强度的平方成正比。

1843年，焦耳测定了1000卡的热当量为460千克重米。

1847年4月，他在曼彻斯特作了一个通俗演讲，第一次充分地阐述了现代能量守恒原理的思想。

在这期间，焦耳设计了很多实验来测热功当量，他设计过气体膨胀的实验，还设计过绝热容器中叶轮搅水的实验。

焦耳没有学位，只是一位业余的物理研究者，他的论文没有分量，皇家学会不发表他的论文。

1847年6月，焦耳终于得以在牛津召开的科学促进会上发言。但是大会主席只要求焦耳做一个简明扼要的发言，不要论证和解释，也没有发挥和引申的权力。

焦耳的发言十分短暂，几乎没有引起人们的注意。然而，一位青年人却站了起来。这位青年的总结评价扭转了局面。他就是23岁的威廉•汤姆逊。

汤姆逊以滔滔雄辩的口才和严密的推理肯定了这项新的理论。结果论文引起了轰动效应，焦耳步入了科学界。

汤姆逊与焦耳互相切磋，焦耳第一次听到了卡诺的有关思想，而汤姆逊则更受到了崭新观念的启发。

就这样，焦耳以40年左右的时间，进行了400多次实验，测定了一卡的热功当量，为真正的能量守恒原理建立了确凿的实验证据和基础。

到了1850年左右，能量守恒定律得到了广泛普遍的承认。

为这一定律最终确定而作出划时代成果的是亥姆霍兹。

亥姆霍兹明确提出并系统证明了全面的能量守恒原理。

亥姆霍兹也是一位医生，并且是生理学家。能量守恒定律由先驱者迈尔医生到集大成者亥姆霍兹医生，形成一个奇妙的巧合。

正因为对能量守恒研究的兴趣，亥姆霍兹才成为大物理学家和数学家。他也是在生理学研究中，通过动物热的途径发现了能量守恒原理。

1847年，26岁的亥姆霍兹在柏林物理学会上宣读了论文《论力的守恒》，全面系统地论证了这一原理。

亥姆霍兹认为，“自然力不管怎样组合，也不可能得到无限量”；“一种自然力如果由另一种自然力产生时，其力的当量不变”。

德语中，力的意义本来就在“能量”的意义上使用着。亥姆霍兹用数学化的形式表述了在孤立系统中机械能的守恒。他把能量的概念进一步推广到各个科学领域，将永动机与能量守恒相比较对照。

德国最权威的《物理学和化学年鉴》主编波根多夫是拒绝了迈尔的人，他同样也拒绝了亥姆霍兹。亥姆霍兹只好自己将论文印刷成小册子，很长时间得不到重视。

后来杜林等人攻击亥姆霍兹，说他剽窃了迈尔的理论。但三人较为独立地提出能量守恒的概念是事实。焦耳和亥姆霍兹都尊重迈尔的成果，认为是迈尔最先提出这一理论的。

准确地说，是迈尔最先以公开的形式发表了论文，是焦耳从实验上领了先，而后是亥姆霍兹真正精确系统地确立了这一原理。

恩格斯在《自然辩证法》中称赞这一原理奠定了唯物主义自然辩证观。

我们发现，几乎同时，许多人提出了这一理论。能量守恒原理是牛顿物理经典力学建立以来的最大成就，是19世纪30年代、40年代不同侧面提出的原理。

它揭示了热、机械、电、化学等物质运动的形式之内在联系，达到了第二次物理理论大综合。

德国生物化学家莫尔（1806～1878年）；

法国铁道工程师塞甘（1786～1875年）；

德国物理学家霍耳兹莫（1811～1865年）；

丹麦工程师柯耳丁（1815～1888年）；

法国物理学家伊伦（1815～1890年）；

英国律师格罗夫（1811～1896年）……

这一系列的名字铸就了同时发生的辉煌的发现。但我们更应该缅怀卡诺•迈尔、焦耳、亥姆霍兹的努力。是他们在困难下坚持研究，后人在他们的基础上奋然前行。

科学史家准确的评价代表了我们的看法：“从笛卡尔和莱布尼茨的理论到能量守恒原理，中间好像只隔了一层几乎是透明的薄膜，但由于历史条件不成熟，200年间就没有人能够突破它，把力学领域内的机械能的守恒扩展成为一般的能量守恒原理。一旦历史条件成熟了，就像洪水决口一样，从四面八方奔腾而出。这生动地告诉我们，科学上的历史突破，个人的努力和才能固然是重要因素，客观历史条件（包括社会、生产和科学状况）则更为根本。这也就体现了历史的必然。”