物理群星
1847 热学与统计

能量守恒定律

The Conservation of Energy

热、光、电、运动、化学反应——它们是同一样东西换的不同面孔,而这样东西的总量永不改变。

当时的困境

十九世纪中叶,物理学是一堆互不相通的省份。力学有活力与功,热学有「热质」——一种据说会从热物体流向冷物体的无重量流体,电学有自己的一套,化学又有一套。生理学界还流行「生命力」的说法:生物体内有种独特的力量,不受物理定律管辖。

热质说并不愚蠢,这一点常被后人轻慢。 它能解释潜热(热质被物质「吸住」)、比热(不同物质容纳热质的能力不同)、气体受热膨胀、热总是自发从高温流向低温,还配得上一套完整的数学。它是一个成功的理论,而不是一个迷信。

各省之间明明有来往。摩擦生热、电流让导线发烫、化学反应能推动活塞、肌肉收缩会放热。可这些「换算」没有汇率,甚至没人确定有没有汇率。

伦福德在 1798 年镗炮筒时就发现摩擦能源源不断地生热——只要马还在拉,热就不停地来,热质似乎取之不尽。但推翻一个旧图像,和建起一个新定律,是两回事。

洞见时刻

1847 年 7 月 23 日,二十六岁的军医亥姆霍兹在柏林物理学会宣读了《论力的守恒》。

他的起点是一个否定命题:永动机不可能存在。这在当时已是工程界的共识——几百年来没人造成过。亥姆霍兹的洞见是把这句负面经验翻译成正面的数学:如果永动机不可能,那么在任何自然过程中,必定有某个量保持不变。

他把这个量算了出来,然后做了那件真正重要的事——把力学的动能与势能、热、电、磁、化学能全部纳入同一个账本,逐项给出换算。热不是流体,是运动的另一种形式;肌肉收缩放出的热,恰好抵得上消耗的化学能,不多不少,没有留给「生命力」的余地。

《物理学年鉴》以思辨过多为由退了这篇稿。他自费印成小册子。

「谁发现了能量守恒」这个问题没有单一答案。 库恩在 1959 年的一篇著名论文里清点过:1830 至 1850 年间,至少有十二个人各自写下了某种形式的能量守恒——迈尔、焦耳、科尔丁、塞甘、霍尔茨曼、莫尔、格罗夫、法拉第、李比希、亥姆霍兹……他们背景各异,切入点从蒸汽机效率到船员血液的颜色不等,彼此大多不知道对方在做什么。库恩的结论是:这不是巧合,而是时机成熟的标志——蒸汽机、电池与守恒观念这三条线索在那二十年里同时铺到了同一个交点上。亥姆霍兹的特别之处,在于他给出了数学形式,并把它逐项铺到力学、热、电、磁与生理各个领域;他写那篇文章时引的是焦耳与 Holtzmann,并不知道迈尔。

同时发现也意味着优先权的撕扯,而代价落在最没有资源的人身上。迈尔是海船上的随船医生,1840 年在爪哇给船员放血时注意到静脉血比在欧洲时鲜红得多,由此推想热带气候下人体维持体温所需的燃烧较少——这条从生理学出发的路子在物理学界几乎无人当真。他 1841 年寄给《物理与化学年鉴》的第一篇稿子石沉大海,1842 年改投《化学与药学年鉴》,发表了守恒原理和热功当量的第一个数值(约 365 米,即一个重物从这个高度落下所做的功,等于把同重的水升温 1 度);1848 年起他与焦耳在巴黎《科学院通报》上往复争执优先权,焦耳认为迈尔的数值建立在未经证实的假设上。1850 年 5 月他从住所楼上的窗口跳到街上,通常被称作自杀未遂,也有传记记作高热发作中的跳窗;1852 至 1853 年他在两所疯人院里住了约十六个月。直到 1862 年丁达尔在伦敦公开为他张目、与汤姆孙和泰特打了一场笔仗,他才在晚年陆续获得承认,1871 年获科普利奖章。

焦耳则贡献了数字。他从 1843 年起用桨轮搅水,靠自家啤酒厂用惯的温度计读到二百分之一华氏度,1850 年发表的热功当量换算成今天的单位约 4.16 焦耳每卡,与现代值 4.186 只差千分之六。至于开尔文流传的那个故事——焦耳在瑞士度蜜月时带着温度计去量瀑布上下的水温差——很可能有演绎的成分,但它准确抓住了那种执念。

涟漪效应

有了守恒律,卡诺二十年前那条关于热机效率上限的孤零零的结论终于有了归宿:克劳修斯扔掉热质说、保住卡诺原理,把它与能量守恒并置,写成热力学第一定律和第二定律——能量不生不灭,但可用的部分总在减少(见本站「卡诺循环与热机的极限」页)。

这条定律后来还救过一次场,代价是发明一种新粒子。 1920 年代末,β 衰变里放出的电子能量是连续分布的,看上去能量在单次衰变中并不守恒。玻尔准备接受这一点,认为守恒律或许只在统计意义上成立。泡利选了另一条路:1930 年他在一封信里提出,一定还有一个不带电、几乎不与物质作用的粒子悄悄带走了剩下的能量。这个为守恒律而设的假想粒子叫中微子,1956 年被真正探测到。

一个世纪后,诺特定理揭示了这条定律的根源:能量守恒来自物理规律的时间平移对称性(见本站「诺特定理」页)。而爱因斯坦的 E=mc2E = mc^2 又把质量并入了同一个账本:质量也是能量的一种形式,太阳每秒烧掉四百万吨自己,换成照到你身上的光。

它也有一处常被误读。 第一定律说的是总量不变,不是「能量不会被浪费」。一台汽车发动机把汽油的化学能变成动能与废热,总量分文不少,可那些散进空气的废热再也没法拿回来推动车轮。能量不会消失,但会降级——这一半的账由第二定律来记。

如果没有它

专利局至今每年都会收到永动机的申请,然后按同一条理由驳回。美国专利商标局对这类申请有一条特别规定:必须提交一台能运转的实物模型——因为审查员没有义务替申请人找出错在哪里。

更实际的是:任何一台设备的能效标签——空调的能效比、电池的容量、发电厂的热效率——算的都是同一本账。工程师能在造出机器之前就断言「这个方案最多只能到这个数」,靠的正是这条定律。它不告诉你怎么做得更好,但它诚实地告诉你,什么是做不到的。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.亥姆霍兹《论力的守恒》(柏林,1847)——被《物理学年鉴》退稿后自费印行的小册子
  2. 2.迈尔《关于无生命自然界之力的评论》,《化学与药学年鉴》第 42 卷第 233 页(1842)——比亥姆霍兹更早从另一方向逼近同一结论
  3. 3.焦耳《论热功当量》,《皇家学会哲学汇刊》第 140 卷第 61 页(1850)