十、不可见的辐射热

始于十七世纪的关于不可见辐射热的研究在 1682 年后的大约八十年中一直没有什么进展。然而，这段时期却为这个问题的进一步研究间接地作了准备。因为，在这几十年中，取火镜和透镜大大改进，温度计在结构和分度方面也大有进步。这些改良的仪器是这个领域里的重要工具。因此，在十八世纪后半期关于这些问题的工作恢复以后，就取得了进展。

沃尔夫描述过一些抛物取火镜以及霍夫曼用这些镜所做的某些实验

（Phil.Trans.，1769，p.4）。有一个实验中，把火的热聚集于一面凹镜的焦点上。在另一个实验中，把燃烧着的煤放在一面凹镜的焦点上，再利用两面反射镜，把位于另一面镜焦点上的燃料点燃。用一个强加热的火炉重复这个实验，并且仍把燃料点着。托马斯·扬在他的《自然哲学讲演录》，

（ Lectures on Natural Philosophy）（1807 年）（I，p.637）中说，霍夫曼第一个以这种方式即利用一面或几面镜的反射，把炉火发出的不可见热收集起来。布丰给出了比霍夫曼更加令人满意的证明（ Histoire Naturelle， Supplément，1774，I，P.146）。“我用一面取火镜接收了相当强烈的热而没有任何光，方法是在明亮的火和镜之间放上一块铁板。一部分热被射到镜的焦点，而其余的热则全都穿透这镜。”（霍夫曼似乎没有注意将他用的热源——火炉的光的踪迹完全消除。）在同一本书中，布丰还写道：“似乎⋯⋯应当认识到有两种热，一种是发光的⋯⋯另一种是隐蔽的。”他的实验证明，具有不可见热的物体发射出能够象光线那样反射的不可见射线。

第一个在这领域进行系统实验的是舍勒。他力图调和理论和实验。他提出了一种关于辐射热和光的理论，它既符合既有事实，又不与流行的燃素说相悖。他在《关于空气和火的化学论文》（Che-mical Treatise on Air and Fire）（乌普萨拉，1777 年；英译本：L.Dobbin，伦敦，1931 年，p.120）中提到一个实验。放在一面金属凹镜焦点上的“明亮的赤热木炭”的热可以在另一面类似的镜的焦点上加以收集，在那里这时可把燃料点燃起来。他问道：这效应究竟应归因于热还是光，还是这两者。在为解答这问题的实验中，他仔细区分了辐射热和对流热，对前者进行研究。舍勒所用的热源是一个开口炉。炉子辐射出的热不受炉口上方强烈对流的影响。然后，他在自己面孔和炉子之间放上一块大玻璃板，这样，他就感觉不到任何热了。接着，他研究涂银玻璃的和金属的平面的和凹面的镜对射线的反射。用涂银玻璃实验时，他发现，光被玻璃反射，而热被吸收。用金属镜实验时，光和热都遵循同太阳光线一样的反射定律。在火炉的射线穿过一块玻璃板后，即使用透镜

或镜聚集，这些光线也不产生热。

舍勒用放在火炉前 2 厄尔①处的一面金属凹镜造成一个点燃磷的焦点。他还注意到，镜并未变热，但如果把镜放在燃烧的蜡烛上方被烟灰熏黑，然后再放到炉子前面的这个位置上，没过几分钟，它就灼烫手了。金属镜和金属板与热物体接触时就变热——但不是来自火炉的热。当把火炉顶端的烟道堵住，热空气就要从火炉打开的门向上逸出，而若把金属凹镜或金属板放在这上升的热之中，则这热并不反射，但金属变热了。

因此，舍勒推论出辐射热的某些性质。他写道：“由这些实验可知，同炉中空气一起上升而通过烟道的热实际上是与通过炉门进入房间的热不同的；热从其发源处出发直线地行进，又被抛光金属以等于入射角的反射角反射；它不与空气相结合，因而，除了在生成开始时接受的方向外，它不可能再从气流得到任何其他方向”（上引书，p.123）。他还说：“这些都是属于光的性质。”但他不认为光是这些现象的原因，因为(1)火光与太阳光相比实在太弱；(2)当燃用木材并烧成“明亮的赤热木炭”时，用引燃磷来检验的一个焦点的热比较强，因而发出的光较弱；(3)用玻璃镜可以把火的热和光分开，玻璃镜反射光而保留热。

因此，舍勒得出结论：辐射热具有光的某些性质，但它尚未成为光，因为它受玻璃表面的反射不同于受金属表面的反射——“一个值得注意的事实！”他写道（上引书，p.123）。于是，他把这种热称为“辐射热”，并以此回答他最初提出的问题，即为什么从赤热木炭反射的射线能引燃燃料，指出这要归因于“这种不同于火的不可见辐射热”（上引书，p.125）。

在进一步对光进行的实验中，舍勒宣称，他业已证明，辐射热的点火力不是由于辐射热中的光；但是，只有火的辐射热才是这样，太阳光线的辐射热则并不如此，而如马里奥特所已表明的那样，太阳的光和热同样好地穿过玻璃。他的结论是：辐射热是一种物质实体，火、空气和燃素的一种化合物，而光则是一种含较多燃素的类似化合物。

于是，舍勒引入了“辐射热”这个术语，并描述了这种热的一些主要性质，还把它与光区分开来。他的实验要比他的理论思辨更有价值得多，而这些思辨往往是错误的。例如，他认为，紫色和紫红色含有的燃素较少，因为它们较易被棱镜吸引（即它们被较厉害地拆射）；因此，既然辐射热含有的燃素更少，它就应当更易被吸引。所以，不可见的热射线似乎就处于光谱紫端之外。他大概没有用实验检验这一点。

J.H. 兰伯特提出了两个证据（参见 Pyrometrie， 1779，§378），证明火的热不是以光的形式，而是以隐蔽热的形式存在：(1)因为透明玻璃保护了面孔，使其不受极强火的热的影响，直到玻璃本身变热，和(2)因为由一面取火透镜聚焦在手上的极强火的象也丝毫不令人感觉到热。这样，玻璃

① 厄尔（ell），古尺名，英国＝4.5 英寸。——译者注

和其他透明物体就把火的光和热分离了开来——让光透射，而将热吸收。火的热不能为透镜所聚集，但却可由镜来聚集。（有人说，早在 1685 年察恩就已在维也纳表明了这一点，但似乎查无实据。）兰伯特成功地重复了这些实验。放在一面凹镜（焦距 18 英寸）焦点上的木炭火发出的射线，被放在

对面的、相距 20 到 24 英尺的一面较小凹镜（焦距 9 英寸）收集了起来；把放在焦点上的火绒等物点燃。这些镜显然是金属的。兰伯特说，这个结果完全是由隐蔽热所致，尽管光也被聚集在焦点上。兰伯特的实验支持舍勒的结论。

克里斯提到（Annales de Chimie et de physique，1809，71，158）一部著作，题为《关于安德列·格特纳新发明的木质抛物镜及其惊人作用的说明》（An account of parabolic wooden mirrors andtheir surprising action，newly invented by André Gaertner）（1785 年），其中描述了一个实验，该实验演示了从一个被烧热了的铁火炉发出的隐蔽热的反射。当在10 到 12 步之外用抛物镜把它的热聚集起来时，其热等于在两倍于此距离之

外明火的热。格特纳还描述了，如何在他的镜的焦点上放上冰，结果在 10

到 12 步之外产生十分明显的冷。

德索絮尔认为（Voyages dans les Alpes，1786，Ⅱ，pp.353f.），兰伯特的实验还不是决定性的——热源应当是不发光的。所以，他就用一只很热的但并非赤热的铁丸同皮克泰一起在后者的仪器上重复做了那些实验。两面大小和焦距相同的凹锡镜相对地放置，隔开 12 英尺 2 英寸。铁丸先被加热到赤热，然后待其冷却到在黑暗中已不可见时，把它放在第一面镜的焦点上。另一面镜的焦点上放上一支温度计的泡，这样这温度计所指示的温度比仅仅直达射线产生的温度高 8°，后者用一支恰在焦点外面的温度计指示。做实验的房间里此外便没有别的热源；而且，用不同的温度计在不同的日子都得到了同样的结果。只要把温度计稍稍移开焦点，就会使温度显著下降，几乎降到室温。所以，对于隐蔽热的反射来说，这些实验是令人满意的。至于这种隐蔽热的本性，德索絮尔认为，它是物体中热流骚动引起的热振动的反射，这种振动能象声波那样被反射。他提出了一种测量其速度的实验。这实验后来由皮克泰进行，如这里将要说明的。

德吕克认为（Idées sur la Météorologie，1786—87），热的反射为下述事实证明：盛有水的金属锅在外侧磨光时比外侧带有灰垢时要花费更长的时间才能烧沸水，因为火微粒是按照适用于一切回跳物体的反射定律

（入射角＝反射角）而从抛光表面反射的。他还认为，太阳光线本身并不是热的，而是由于跟存在于大气中的一种物质相结合才变热的，这种物质使太阳光线失去发光的性质。因此，德吕克反对迪卡拉的见解。后者在其《完全的火》（Feu Complet）中把太阳光线的发光能力和发热能力归因于一种共同的动因。

1788 年，爱德华·金描述了一些实验（Morsels of Criticism，Ⅰ，

99），其中沸水发出的不可见热被凹镜反射并由一面凸透镜折射到一个焦点上。但是，值得怀疑的是，根据他的实验中可观察到的微小效应，他是否有理由得出热流体具有同光线一样的可反射性和可折射性的结论。在后来利用金属凹镜的实验中，他让火的热被反射，并注意到“金属在作此用途时要比玻璃灵验得多”。

M.A. 皮克泰于 1790 年指出（Essais de Physique），英译本：AnEssay on Fire，W.B.译，1791），“释出的火”（即辐射热）“是一种遵循某些定律并以某速度运动的不可见射气”（英译本，p.8）。他把它与光相比。因为没有光照样可以得到热，没有热也照样可以得到光，所以，他断言，两者的关系如同一个整体之于一个部分。至于这种“释出的火”的本性，根据它的简单性，他赞成这样的理论：它是一种实在的射气，而反对这样的观点：它是无所不在的、完全弹性的热流体的简单振动。他用一只热铁球重复他以前与德索絮尔一起做过的（关于隐蔽的热的反射的）实验（如前所述），证明一支小蜡烛也产生同等的效应，但用一块玻璃板就可把热削减三分之二。为进一步证明不可见热的反射，皮克泰又用一小烧瓶沸水进行实验。这是一个令人满意地不发光的的热源。两面镜相

距10英尺6英寸，结果2分钟后水银温度计就上升了3 1 °F，而且一当

把烧瓶从焦点移开，温度就下降。他表明，纯粹的热象光一样也可被黑体吸

收，因为当他把温度计泡涂黑后，温度计上升4 1 °F，而且上升得更快。

当把一块玻璃板放在两面镜之间时，大部分热都被吸收了。

由于热按同光一样的定律反射，所以皮克泰便把烧瓶中沸水的热用一面凹锡镜反射到一面凸透镜上，凸透镜的焦点处有一支温度计，以此来测验折射。他用了三个不同的透镜，但在焦点处并未发现比其他地方有更多的热，因此问题仍然悬而未决。他还试图按照德索絮尔提出的方法测量辐射热的速度。一只在黑暗中不可见的热铁球被放在第一面锡镜的焦点上，并用一块厚厚的屏把它与另一面镜屏蔽开。在第一面镜对面 69 英尺处放一面镀金的大镜，其焦点处有一支灵敏的空气温度计。这一切都就绪后，把屏移开，温度计立即就上升，没有任何令人觉察得到的时间间隔。因此，皮克泰得出结论：他所称的“释出的火”“向一切方向以相当快的速度——或许像声甚或像光一样迅速——直线地”运动；而且他在此也称之为“辐射热”（英译本， p.113）。

皮克泰还尝试对冷的反射进行了实验。两面锡镜相距10 1 英

尺地放置；一个充满雪的烧瓶放在第一面镜的焦点上，一支灵敏空气温度计的泡放在第二面镜的焦点上。结果，温度立即降低了几度，而当把烧瓶从焦点处移开后，温度计便又上升了。当把硝酸注到雪上（以得到较低的温度）

时，产生了更为明显的效应。皮克泰对这些事实的最后解释乃遵照我们现在就要讲到的普雷沃理论。

1791 年，普雷沃发表了他关于辐射热通过不断交换而平衡的理论

（Observations sur la physique，1791，38，314）。这一理论的基础是德吕克的热理论（认为热是一种离散流体，其微粒处于不断运动之中）以及皮克泰对冷的表观反射的演示。实际上，普雷沃理论的目的主要就是为了解释这一令人费解的现象。普雷沃从比较光与辐射热（“完全自由的火”）出发，得出了这样的结论：实验证据尽管有限，但仍证明了这样的结论：光和辐射热在性质上是相似的，特别就它们传播的直线性和即时性而言。因此，他认为，热和光是相似的离散流体。以空间中具有相同温度的两相邻部分为例，他坚持认为，这两个部分之间通过辐射不断交换热。这些交换是等同的，因而这两部分处于相对平衡，它们的温度保持恒定。这样，如果某一部分变热，则它将给出的热多于它从别的部分接收到的热，直到在更高的温度上达到新的平衡。

这一理论对冷的表观反射给出了十分令人满意的解释；因为一个冷物体在一个焦点上比一个较热物体在另一个焦点上发出较少的热，这使较热物体冷却下来，由于它接收的辐射热比发出的少。可见，温度计上的效应不是因为冷的反射，而是因为热沿反方向的反射。皮克泰立即接受了这种解释。

詹姆斯·赫顿重复了舍勒的关于玻璃片对火发出的射线的效应的实验，发现热并未完全被吸收，而只不过在强度上有所减弱罢了（Dissertationon the PhilosophyofLight，Heatand Fire，Edinburgh，1794）。他谴责了“隐蔽热”的观念，说“设想热离开物体而运动，或者热按照光的定律反射，这无疑是一个玷污科学的观念”。他认为，这些效应倒是起因于不可见的光，这种光因为太微弱而不能使人眼感觉到，但其强度却足可传送热。

于是，及至 1800 年，存在着不可见热射线的观念已为人们公认。当时已经知道，这种射线几乎瞬时地直线传播，并按照和光线一样的定律反射。人们还猜想，这种不可见热射线也能像光线那样折射。这些同光的相似性导致人们猜测，两者是相联系的。赫顿甚至论证说，不可见热射线实际上就是不可见的光。但是，由于玻璃对火的热和光射线呈现不同的吸收效应，所以大多数科学家都暂不表示决定性的意见，把这种不可见热射线称为“隐蔽热”或“辐射热”。当时提出了两种理论，即(1)不可见热射线是一种物质的射气，和(2)它们是一种无所不在的热流体的振动。其中前一个受到较为广泛的支持。冷的反射已得到了演示和解释。实验主要是定性的，但已为定量研究准备好了活动场地。

（参见 D.Mckie 和 N.H. de V. Heathcote，TheDiscoveryofSpecific and Latent Heats，London，1935； E. Mach，Prinzipien der Wärmelehre， Leipzig，1923；E.S.Cornell，“EarlyStudiesinRadiantHeat”，Annals of Science，1936，Vol.I，p.217；以及第 181—182 页上所列有关物理学的一

般书目。）