不滅的能量

蒸汽和電，這是兩股偉大的力量，推動(dòng)了19世紀(jì)的車輪，振奮了19世紀(jì)的人心。就從19世紀(jì)開始，所有工業(yè)都受到瓦特的蒸汽機(jī)的影響，它還激發(fā)了人們對能量的理論研究。到了19世紀(jì)中葉，運(yùn)輸也得到了改造，英國所有主要港口都已由蒸汽鐵路連接起來，北美大陸十字交叉的鐵路網(wǎng)有近30 000英里的鐵軌。到了19世紀(jì)末，電已經(jīng)開始照亮世界，并且提供工業(yè)生產(chǎn)動(dòng)力。

科學(xué)家們深入到這兩大能源的核心之處，從而找到了一條通往自然奧秘的珍貴路徑，借助于它，西歐、不列顛群島、北美以及整個(gè)世界的工業(yè)發(fā)展面貌煥然一新。關(guān)鍵在于，正如布萊克及瓦特在上一世紀(jì)所發(fā)現(xiàn)的那樣，要理解熱及其本質(zhì)和行為，最重要的是，理解熱力學(xué)——研究熱能怎樣轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，其他形式的能量又是怎樣轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

早期工作

對于18世紀(jì)大多數(shù)化學(xué)家和物理學(xué)家來說，熱是一種看不見的“不可稱量的”（即沒有重量的）流體，叫做“熱質(zhì)”。當(dāng)冰融解時(shí)，失去熱質(zhì)；當(dāng)水結(jié)冰時(shí)，得到熱質(zhì)。水和熱之間發(fā)生的是某種化學(xué)反應(yīng)。這一理論有時(shí)也叫做熱的物質(zhì)論，用來解釋某些現(xiàn)象似乎很有效：把一個(gè)熱的物體放在冷的物體旁邊，熱似乎從一個(gè)物體流向另一個(gè)物體，就好像是流體一樣。還有，物質(zhì)加熱時(shí)會膨脹，就好像有流體進(jìn)入一樣。熱質(zhì)似乎是明擺著的事情，所以很少有科學(xué)家認(rèn)為有理由去質(zhì)疑它。

但出生于美國的巴伐利亞選帝侯倫福德伯爵就是一個(gè)例外。1800年左右，他還在年青一代的英國科學(xué)家中選拔了新秀——其中包括戴維和楊。倫福德如此推測，用鈍工具給炮筒鉆孔應(yīng)該比用銳工具鉆孔產(chǎn)生更少的熱（釋放更少的熱質(zhì)）；用銳工具應(yīng)該釋放更多的熱質(zhì)，因?yàn)樗鼈兦邢鞑牧细鼮橛行?。但事?shí)正好相反。為了解釋這一點(diǎn)，倫福德認(rèn)為，熱必定是一種運(yùn)動(dòng)，但這個(gè)思想不是一下子就能被人們接受。

然而隨著19世紀(jì)的來到，道爾頓的原子論開始使這一思想變得可信，這就是，在一個(gè)充滿氣體的氣球中，或者在一桶水中，或者在一塊冰中，都有看不見的微小粒子在振動(dòng)——振動(dòng)得快，就表現(xiàn)為熱；振動(dòng)得慢，就表現(xiàn)為冷。

沿著這一思路就有了熱動(dòng)說，最早是由伯努利（Daniel Bernoulli， 1700—1782）在1738年提出的，但是當(dāng)時(shí)對原子和分子這樣的概念尚未認(rèn)真考慮。在道爾頓之后，也有少數(shù)其他的人試圖提出這一理論，但他們都不太知名，也沒有得到更多關(guān)注。

與此同時(shí)，法國科學(xué)家正在琢磨瓦特蒸汽機(jī)的理論基礎(chǔ)。瓦特是一個(gè)工程師，他的英國朋友都是實(shí)干家，許多人都是自學(xué)成才。而法國，因?yàn)橛邪屠璧木C合理工學(xué)校，因而法國人更擅長理論科學(xué)，偏愛熱質(zhì)說。傅立葉（Jean-Baptiste-Joseph Fourier， 1768—1830）是一位對數(shù)學(xué)物理學(xué)帶來強(qiáng)烈影響的物理學(xué)家，他在1822年發(fā)表論文《熱的解析理論》，提出一種數(shù)學(xué)分析的新方法，首次清晰地闡述了科學(xué)方程必須具有一套自己的單位——這一思想被稱為“傅立葉理論”。他還考察了通過固體的熱流和笛卡兒提出的量綱理論。但是傅立葉對與熱有關(guān)的機(jī)械力不感興趣，實(shí)際上，他認(rèn)為“動(dòng)力理論”和“自然哲學(xué)”屬于兩個(gè)互不相關(guān)的不同領(lǐng)域。

與此同時(shí)，在德國，熱動(dòng)說正在逐漸奠定基礎(chǔ)。化學(xué)家李比希的學(xué)生莫爾（Friedrich Mohr， 1806—1879）在1837年寫道：

“除了已知的54個(gè)化學(xué)元素以外，在自然界里還存在一種媒介，叫做力^[1]；它在合適的條件下可以表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)、凝聚、電、光、節(jié)奏和磁……因此熱并不是一種特殊的物質(zhì)，而是物體最小粒子的振蕩運(yùn)動(dòng)。”

所有這些思想都圍繞著一個(gè)尚未得到充分證實(shí)的中心思想。正是一位名為焦耳（James Prescott Joule，1818—1889）的執(zhí)著實(shí)驗(yàn)家為這一概念給出了定量數(shù)值。

焦耳的測量

焦耳著迷于對熱的研究，他測量了每件東西的熱。甚至在度蜜月時(shí)，他也不忘測量他和新婚夫人游覽的瀑布頂上的溫度，并與瀑布底部的溫度相比較。

焦耳在1847年完成的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)中，先是測量一桶水的溫度，然后把帶翼的輪子放進(jìn)水中。再讓翼輪轉(zhuǎn)動(dòng)很長的時(shí)間，使水的溫度逐漸升高。焦耳測量了翼輪所做的功和水溫的升高，從而算出多少機(jī)械能產(chǎn)生多少熱，如今這個(gè)值被稱為“熱功當(dāng)量”。焦耳用了十年甚至更多的時(shí)間，測量了他能想到的各種過程所產(chǎn)生的熱——包括機(jī)械的、電的、磁的——以及他能想到的各種媒介。

在焦耳之前還有其他人也試圖獲得熱功當(dāng)量的數(shù)值。倫福德做過，但數(shù)值偏高。邁爾（Julius Robert Mayer， 1814—1878）也計(jì)算過，但沒有焦耳的準(zhǔn)確。焦耳是當(dāng)時(shí)做得最好的一位，而且他附有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了對他表示敬意，功或者能量的一個(gè)單位叫做焦耳。

焦耳的工作直接導(dǎo)致了對熱力學(xué)第一定律的承認(rèn)，這是一條基本原理，因此，他也被看做是這一定律的提出者之一。

焦耳

第一定律

于是，在拉瓦錫的物質(zhì)不滅原理之外，1847年，亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz， 1821—1894）又增加了一條補(bǔ)充定律：“自然作為一個(gè)整體，擁有的能量不可能增加，也不會減少?！庇钪嬷械哪芰空缤镔|(zhì)一樣，既不能創(chuàng)生，也不能破壞，能量也是如此（邁爾曾于1842年提出過能量守恒概念，要早于焦耳或亥姆霍茲的工作，但它所獲得的證據(jù)支持不如亥姆霍茲）。

這一思想就叫做熱力學(xué)第一定律，有時(shí)可簡單歸納為：“無不能生有”，或者用另外一句話來說，不能以少獲多。也就是說：

熱能輸入=有用能+廢能

正如布萊克和瓦特所見，熱機(jī)（瓦特的蒸汽機(jī)是第一個(gè)成功的例子）可以把氣體中儲存的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闇u輪和活塞中的動(dòng)能。也就是說，由于加熱后氣體膨脹，儲存在蒸汽中的熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)。這個(gè)系統(tǒng)中最初的能量來源是燃料——木材或者煤炭——中的化學(xué)勢能，用它產(chǎn)生了蒸汽。

在物理科學(xué)的歷史中，熱力學(xué)第一定律是最具革命性的思想之一。正如科學(xué)史家克朗比（Alistair Cameron Crombie， 1915—1996）所說：“它的含義和它提出的問題，主宰了從法拉第和麥克斯韋的電磁學(xué)研究到1900年普朗克引入量子理論之間這段時(shí)期里的物理學(xué)。”隨著20，世紀(jì)愛因斯坦物理學(xué)的出現(xiàn)，將會證明，能量和物質(zhì)概念需要放到一起來考慮，顯而易見的是，能量有時(shí)可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)，物質(zhì)也可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?/p>

正如麥克斯韋在對亥姆霍茲的頌詞中所寫：

亥姆霍茲是能量守恒原理的奠基人之一，他也因?qū)ρ劭茖W(xué)、解剖學(xué)和生理學(xué)的貢獻(xiàn)而知名。

“要評價(jià)亥姆霍茲《論力的守恒》這篇論文的科學(xué)價(jià)值，我們必須追問熱力學(xué)和近代物理學(xué)其他領(lǐng)域最偉大發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)者們，這篇論文他們讀過多少遍，在他們的研究生涯中，他們多少次感受到，亥姆霍茲有分量的敘述作用于他們的心頭，就像是不可阻擋的驅(qū)動(dòng)力?！?/p>

在他的晚年，亥姆霍茲成了量子理論的創(chuàng)建者普朗克（Max Planck， 1858—1947）的導(dǎo)師，通過普朗克，亥姆霍茲的影響在20世紀(jì)還將進(jìn)一步延伸。

第二定律

不同于傅立葉，法國工程師卡諾（Nicolas-Léonard Sadi Carnot， 1796—1832）的研究方法更為實(shí)際，他把蒸汽機(jī)與水輪聯(lián)系在一起——這一類推有些問題——起初他提出的是這一想法：蒸汽機(jī)鍋爐釋放的熱量等于更低溫度下冷凝器獲得的熱量。也就是說，沒有熱量損失。雖然事實(shí)并不是這樣，但是卡諾在火發(fā)出的熱、蒸汽的壓強(qiáng)和機(jī)器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間建立了重要聯(lián)系。他認(rèn)識到，一臺蒸汽機(jī)的能量輸出取決于鍋爐的高溫和冷凝器的低溫之差以及流經(jīng)兩者的熱量。他猜測，宇宙的總能量是常數(shù)，能量只是從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。遺憾的是，卡諾在36歲時(shí)死于霍亂，沒有機(jī)會進(jìn)一步發(fā)展他的思想。他的思想1824年在他唯一的著作《論火的動(dòng)力》（On the Motive Power of Fire）中發(fā)表，對后人產(chǎn)生相當(dāng)深遠(yuǎn)的影響。

德國物理學(xué)家克勞修斯（Rudolf Clausius， 1822—1888）不是實(shí)驗(yàn)家，他的杰出天賦表現(xiàn)為善于對其他科學(xué)家的結(jié)果作出解釋和進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。1850年，克勞修斯得出結(jié)論，熱不能自己從一個(gè)物體傳給溫度更高的另一個(gè)物體。這一陳述后來就叫做熱力學(xué)第二定律，被認(rèn)為是　19世紀(jì)物理學(xué)另一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。

愛爾蘭出生的湯姆生（William Thomson， 1824—1907），后來在蘇格蘭以拉格斯的開爾文勛爵聞名，這兩個(gè)稱呼常常并用。他綜合了卡諾和焦耳的思想，在1851年發(fā)表論文，論述熱轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的可逆性，從而對熱的動(dòng)力學(xué)理論也作出了貢獻(xiàn)。這是熱力學(xué)第二定律的另一種表達(dá)方式。由于這一貢獻(xiàn)，與克勞修斯一起，他也被認(rèn)為是這一原理的發(fā)現(xiàn)者之一。

克勞修斯

湯姆生

熱力學(xué)第二定律可以簡單說成是：不能打破平衡。假設(shè)有一位潛水員站在深水池旁，此時(shí)潛水員具有重力勢能，當(dāng)他或她跳下去時(shí)，能量轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，當(dāng)潛水員撞擊水面時(shí)，動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)樗臒崮?。但這個(gè)過程不能自發(fā)地逆轉(zhuǎn)（至少一般不能），能量轉(zhuǎn)變有特定的方向。盡管有可能看到潛水員又返回到水池邊，但那是因?yàn)橛蒙狭四撤N跳簧或者彈簧或者起重機(jī)。要么潛水員搭乘沙灘車才能返回?；蛘撸倥e一個(gè)例子，熱湯可以自發(fā)地變冷，但是冷湯卻不能變熱，除非從外部熱源加熱。

另一種表述熱力學(xué)第二定律的方式是：在一個(gè)密閉的系統(tǒng)中——沒有外部能源——熵總是趨向于增加。熵是一個(gè)系統(tǒng)無序性的度量：越是無序，熵越高。另外，因?yàn)殪乜偸勤呄蛴谠黾樱瑹崮懿粫母涞牡胤搅飨蚋鼰岬牡胤剑ǚ肿雍驮釉诟涞墓腆w中要比在更熱的液體和氣體中更為有序），因此一般說來，自然過程總是趨向于更大的無序。

在某種程度上這意味著，沒有來自太陽的能量，地球很快就會衰竭。最后太陽，甚至可能整個(gè)宇宙，會耗盡可用能源而滅亡。或者，換句話說，不管你本周把房間整理得多干凈，下周你仍然需要重新整理。

氣體運(yùn)動(dòng)論

熱質(zhì)說終于在1866年左右走到了盡頭，因?yàn)辂溈怂鬼f和玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann， 1844—1906）各自用不同的方程式描述氣體的行為，其完善性超過前人。麥克斯韋說，氣體的溫度并不反映氣體所有分子的運(yùn)動(dòng)速率是均勻的，它反映的是這些運(yùn)動(dòng)在所有方向和所有速度上的平均統(tǒng)計(jì)值。他解釋說，當(dāng)氣體加熱時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)得更快，互相碰撞也就更多，而碰撞增加了氣體的壓強(qiáng)。

熱力學(xué)的偉大時(shí)刻

1822年

·傅立葉發(fā)表熱流方程。

1824年

·卡諾的理論成為克勞修斯和開爾文獨(dú)立提出的熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)。

1847年

·焦耳在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了熱的機(jī)械論（“熱功當(dāng)量”）。

·亥姆霍茲勾畫出熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）。

1850—1851年

·克勞修斯和湯姆生（開爾文勛爵）提出熱力學(xué)第二定律。

大約1860年—1870年

·麥克斯韋和玻爾茲曼各自建立了氣體的運(yùn)動(dòng)論。

1871年

·麥克斯韋在《熱的理論》 （ Theory of Heat）中提出麥克斯韋妖。

麥克斯韋妖

1871年，麥克斯韋發(fā)明了一個(gè)小精靈——后來就叫做麥克斯韋妖——用來說明熵和氣體中熱運(yùn)動(dòng)論的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。想象有一個(gè)二室的房子，氣體均勻地分布在兩室里。兩室之間只有一個(gè)活動(dòng)門相通。正如麥克斯韋的理論所描述的，兩室中的氣體分子，有些運(yùn)動(dòng)得很慢，有些則很快。當(dāng)分子走過時(shí)，精靈抓住慢的把它送到另一室，又把另一室的快分子抓住通過活動(dòng)門送到第一室。用這一方式，最后第一室將充滿熱（運(yùn)動(dòng)快的）分子，而第二室充滿冷（運(yùn)動(dòng)慢的）分子。如果精靈真的存在（當(dāng)然是不可能的），加熱一間房子就可以不要任何能量。

物理學(xué)經(jīng)過了70年的時(shí)間，研究熱的本質(zhì)及其與其他能量形式的相互關(guān)系，這才擺脫了18世紀(jì)的熱質(zhì)說?；谠诱摰耐Σ⑶彝ㄟ^運(yùn)用數(shù)學(xué)和模型以及仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)，這才獲得兩個(gè)永恒的原理，從而為熱力學(xué)機(jī)制提供了更為扎實(shí)深刻的認(rèn)識。

【注釋】

[1]德文的“力”字，同時(shí)也表示能量。——譯者注