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恩格斯稱為「偉大的運動基本規律」——能量守恆和轉化定律，是19世紀自然科學的一塊重要理論基石。同任何一個偉大科學發現一樣，能量守恆和轉化定律也有一個潛在的孕育階段，也經歷了一番曲折和鬥爭的過程，而後才為人們所普遍承認和接受。不過，像能時守恆和轉化定律孕育時間的長久，發現者們蒙受精神壓力的巨大，則是科學發展史上極為典型的蒙難個例之一。回顧能量守恆和轉化定律發現的艱難歷程，總結其中的經驗教訓，是一件十分益的事情，對於發展科學事業無疑會起到積極作用。 漫長的孕育過程 能量守恆和轉化定律的成熟程度是與其醞釀的廣度和深度直接相關聯的。能量守恆和轉化定律思想的廣闊而又艱苦卓絕的孕育史，是人類對自然界科學圖景認識史上的一個非常富有意義的個例。 火，至少在四五十萬年前就已被我們的祖先利用了。從使用和「養活」天然火，到學會人工磨擦取火，這是原始人技術發明的一件大事。磨擦取火，這是把機械運動（動能）轉化為熱的過程。儘管原始人尚未認識到這一理論問題，但是他們的偉大實踐過程恰恰直接孕育著能量轉化的思想。機械運動轉化為熱，這是自然過程的一個方面；另一方面，熱也轉化為機械運動，這才是自然過程的辯證法。然而，歷史有它自己的步伐，不管其進程歸根到底是多麼辯證的，辯證法還是要等待歷史很久。 在磨擦取火之後的一段漫長的歲月裡，人類學會了利用畜力、風力和水力來運轉機械，驅動車船，但是這些只不過是一個將機械能中的勢能與動能相互轉化的過程而已，尚未沖現機械運動的認識界限。只是到了發明蒸汽機之後，才真正完成了熱與機械運動相互轉化的辯證過程。正如恩格斯在19世紀70年代所指出的：「到目前為止的全部歷史，可以稱為從實球發現機械運動轉化為熱到發現熱轉化為機械運動這麼一段時間的歷史」。 在蒸汽機發明之前，儘管人類的認識還只停留在機械運動範圍內，尚未接觸到機械運動以外的各種運動表式的研究，並不瞭解它們之間相互轉化的問題，可是，以機械運動為研究對象的力學，就已經有了能量守恆這一觀念。 近代力學奠基人伽種略在進行落體運動的實驗時，發現物體在下落過程中所達到的速度能夠使它跳回到原來的高度，但是不會更高。這就已經接近機械能過恆這一觀念。然而，當時並沒有提出「能量」、「機械能」這類概念。伽利略卻用「動量」這一概念來表述，把它定義為速度與重量的乘積，以此作為物體運動的量度。 後來，惠更斯和牛頓在接受伽利略「動量」這一概念時，把它定義為速度與質量的乘積。萊布尼茲則以「活力」來作為運動的量度，把「活力」定義為質量和速度的平方的乘積，並認為宇宙間的「活力」的總和是守恆的。顯然，活力守恆的表述方式也接近了機械能守恆的思想。 1807年，英國物理學家托馬斯．揚創造了「能」這個概念來表示活力。後來的能量守恆和轉化定律就是建立在這個「能」的科學概念基礎上的。不過，托馬斯．揚當時並沒有把機械能守恆的思想推廣成為能量守恆和轉化的普遍規律，因為當時人們對於機械運動以外的各種運動形式之間的轉化問題。人們的認識水平總是與一定的歷史狀況相一致的。 隨著人類實踐活動的深入，特別是由於科學實驗的蓬勃發展，在19世紀的前三十多年中，人們把認識領域從機械運動擴展到電磁運動、熱和化學運動方面來，從而有了一系列關於電能與機械能、熱能、化學能相互轉化的實驗結果，這就為能量守恆和轉化定律的發現提供了充分的根據。 18世紀末，意大利人伏打發明了電池，實現了化學能向電能的轉化。接著，人們就利用伏打電流，進行水和硫酸銅溶液的電解，發現了電的化學效應，實現了電能向化學能的轉化。19世紀20年代初，人們發現了溫差電偶和電流通過導線生熱的現象，實現了電能和熱能的相互轉化。1820年，丹麥物理學家奧斯特發現了電的磁效應，實現了電能向機械能的轉化。1831年，英國物理學家法拉第發現了感應電流，實現了機械能向電能的轉化。所有這一切都為能量守恆和轉化定律的發現提供了不可缺少的實驗基礎。哲學史上關於運動守恆原理的觀念，對於能量守恆和轉化定律的發現起了巨大的啟示和促進作用。17世紀，唯量論哲學家笛卡兒通過自己的力學研究，提出了「宇宙中運動的量是永遠不變的」這一哲學命題，就清晰地闡明瞭運動既不能創造也不能消滅的思想。這是在自然科學領域裡發現能量守恆和轉化定律整整200年前就已經明確得出了的哲學結論。失敗，這是人類認識史上不可避免的環節，具有不可貶斥的地位。失敗乃成功之母。千百種形形色色永動機的失敗，顯示了自然力和物質運動不可能無中生有地創造出來，因而從反面為能量守恆和轉化定律的發現作了要的思想準備。1775年，法國科學院作出決議，認為製造永動機是不可能的，聲明不再接受任何有關永動機的設計方案。儘管19世紀30年代以前，人類漫長的實踐史為能量守恆和轉化定律的發現作了各方面的準備，可是能量守恆和轉化定律仍沒有正式提出來，它還需要掐脫各種束縛，方能問世。 必要的誕生條件 能量守恆和轉化定律的誕生，在有了其他種種準備之後，還必須清除一個理論障礙——熱素說，並從現實社會實踐提出的重要課題中汲取力量。 熱素說是18世紀廣為流行解釋熱的本質的一種錯誤理論。它認為，熱是一種沒有重量、可以在物體中自由流動的物質。熱素說既然把熱看作是一種物質，那就不可能存在著熱和機械運動的轉化。磨擦所以生熱，只是由於磨擦把熱素逼出來，使磨擦後的物體的比熱比磨擦前小，所以溫度升高，而熱素的量並沒有增加。 給熱素說以沉重打擊的是美國物理學家倫福德（Rumford，1753－1714）和英國化學家戴維（Davy，1778－1829）的工作。1789年，倫福德在慕尼黑兵工廠監造大炮時，發現鑽炮膛所有的鑽頭越鈍，鑽削的碎屑越少，所產生的熱量卻越多。這與熱素說認為碎屑越少，金屬釋放的熱素就越少的說法恰好相反。為了證明鑽削時產生的熱不是來源於熱素的解釋，倫福德把炮筒放在水槽裡，用一支鈍得幾乎不能削出碎屑的鑽頭鑽孔。幾匹馬拉著鑽具鑽了約兩個半小時，槽內約18磅水竟然沸騰起來。沒有任何東西供給熱素，竟然源源不斷地產生熱。這些熱是從哪裡來的呢？實驗說明熱只能來源於鑽頭的運動，1799年，戴維又做了冰磨擦實驗。他用兩塊冰在真空中磨擦，並使整個儀器都保持在0℃。幾分鐘後，冰融化成水，但冰吸收的熱是從哪裡來的呢？唯一的可能是由機械運動轉化而來。倫福德和戴維的實驗，打破了熱素說的缺口，從而為能量守恆和轉化定律的發現掃除了思想障礙。 能量守恆和轉化定律的發現，直接導源於現實社會實踐的需要。19世紀30年代前後，蒸汽機生產的實踐提出了如何提高蒸汽機的效率這一重大課題，從而為能時守恆和轉化定律的發現提供了最堅實的實踐基礎。恩格斯指出：「社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進」。於是，在19世紀30年代和40年代的十多年裡，幾乎同時在五個不同的國家裡由六七個不同的行業的十幾個專家和非專家，在幾個不同的科學領域中以不同的形式各自獨立地提出了能時守恆和轉化定律，從而顯示出這個定律是一個具有根本重要性的普遍的自然規律。 第一個在這方面作出重大貢獻的，是法國青年軍官和工程師薩迪．卡諾（S．Carnot，1796－1832）。他十分熟悉蒸汽機的設計，又有較好的數理訓練，於1824年發表了《關於火的動力以及產生這種動力的機器的研究》一文，分析蒸汽機中決定熱產生機能能的各種因素，得出結論：熱機必須工作於兩個熱源之間，熱從高溫熱源轉移到低溫熱源時才能做功，熱機做功的數值與工作物質無關，僅僅決定於兩個熱源之間的溫度差。卡諾的這一原理以後就成為熱力學第二定律的基礎。但是，由於他相信熱素說，因而看不到熱能和機械能之間的轉化以及兩者總和的守恆關係，傳統觀念擋住了他作出科學發現的道路。然而，當他放棄了熱素說之後，於1830年，他在筆記本中便明確地提出了熱的分子運動論和能量守恆與轉化定律，得出熱的機械當量為370千克米／千卡（今天準確數值為427千克米／千卡）。可惜，卡諾夭亡後，他的遺稿，因其弟無知而被長期棄置。直至1878年才公佈於世。這時，人們早已公認能量在轉化中守恆這一定律。卡諾的發現之所以對歷史的進程沒有發現什麼直接影響。顯然由於當時人們科學認識水平的局限性被埋沒了。然而，卡諾的發現本身畢竟表明，能量守恆和轉化定律發現的客觀時機已經成熟了。 繼卡諾之後，德國生理學家莫爾在1837年發表了《論熱的本質》一文，表述了類似的思想。1839年，法國工業革命家和鐵路建設的先驅者M．塞貫，在他的論述鐵路工程的重要著作——《論鐵路的影響》一書中，計算出了熱的機械當量。1840年，瑞士化學家赫斯提出熱化學定律，指出化學反應中所釋放的熱量是一個同中間過程無關的恆量。可惜，這些人的著作，有的長期得不到發表的機會，有的即使發表了，卻沒有引起人們的注意。這些科學發現，「蒙難」的本身，既說明人們缺乏識別新發現重大意義的能力，又說明社會實踐的需要鋮如化學反應中催化劑那樣，加快已孕育了漫長歷史時斯的有關能量守恆和轉化思想的正式問世。山雨欲來風滿樓。能量守恆和轉化定律發現的歷史條件成熟了。先驅者們的工作雖然沒有正式構成能量守恆和轉化定律的內容，然而，他們的潛在發現在人類的科學認識史上具有不可忽視的意義。先驅者們的努力終於使孕育成熟的能量守恆和轉化定律在1842年正式誕生了。這一年，人們同時從不同的途徑來了一個大突破。 巧妙的殊途同歸 1842年，恩格斯曾經把它稱為自然科學發展史上「劃時代的一年」。因為在這一年，有三個不同種工作的人幾乎同時證明了機械能、熱能、光能、磁能和化學能等在一定條件下可以相互轉化，然而卻不發生任何消耗，並且確定了熱的機械當量。正是這些工作標誌著能量守恆和轉化定律正式問世。與此同時，發現者們卻蒙受了巨大的精神創傷。儘管如此，他們仍然胸懷坦蕩，一往無前，充分表現了科學家們探索真理的崇高獻身精神。 德國26歲的青年醫生邁爾（J．R．Mayer，1814－1878）於1840年隨船從荷蘭駛往東印度。當遠洋輪航至熱帶海域時，船醫邁爾發現海員患病者靜脈血液比在歐洲時紅亮。邁爾受拉瓦錫的氧化燃燒理論的啟示，認為這是由於血液含氧較多的緣故。因為在熱帶高溫條件下，人的機體只需要從食物中吸收較少的熱量就足夠了，所以人體中食物的氧化過程減弱了，靜脈血裡留下的氧就比較多。由此，邁爾聯想到人體內的食物所含的化學能就像機械能一樣，可以轉化為熱能。回國後，邁爾繼續進行研究。他進一步發展了倫福德的思想，在一家紙廠設計了一個實驗，大鍋裡的紙漿用機械攪拌，靠繞著圈子的馬作為動力。他測出紙漿溫度的升高，就可得到馬做了一定量的機械功所產生的熱量的數據。邁爾還從空氣的定壓比熱Cp和定容比熱Cu的關係計算出一卡熱相當於365克．米，即3.58焦耳（現在精確有數值是4.184焦耳）。1842年，邁爾寫成了他的第一篇關於能量守恆和轉化定律論文：《論無機自然界的力》。論文發往當時德國主要物理學年鑒雜誌，結果被主編波根多夫拒絕發表而退了回來。雖化學家李比希主編的化學年鑒雜誌1842年5月號上發表了邁爾的論文，但並未引起人們的注意。而1845年的邁爾的第二篇論文，則是以自己的經費才得以發表的。 在科學的征途上，迎接科學家的往往並不是什麼鳥語花香，而可能是苛薄的冷嘲熱諷。作為第一個發表了能量守恆和轉化定律的邁爾，一次在海德爾堡遇見了約利，約利嘲諷邁爾說，如果你的理論是正確的話，水能夠被晃動而加熱。倉促發難，邁爾連一句話也沒回答便走了。幾周之後，邁爾回到了約利那裡堅定地回答說，正是那樣，正是那樣！學術界偏見的打擊使邁爾的精神受到嚴重刺激。1849年5月28日，邁爾從二層樓窗口跳下自殺未遂。大致恢復健康以後，他又寫了一篇關於熱的機械當量的論文。1851年，他被關進精神病院，受到殘酷折磨。1853年恢復自由，可是精神卻從此再未恢復正常，以致在痛苦中度過了二十多年的餘生。 到了1858年，只有少數幾個人肯定邁爾的能量守恆和轉化定律。其中丁鐸爾給予了公正的歷史評價，並於1862年在英國皇家學會上作了關於邁爾工作的講演，還翻譯了邁爾的幾篇論文。物理學家威廉．湯姆遜等人卻對邁爾的工作評價很底，並且責怪丁鐸爾高估了德國的邁爾而低估了英國的焦耳。 焦耳（J．P．Joule，1818－1889）是英國的業餘物理學家，是最先用科學實驗確立能量守恆和轉化定律的人。和偏愛理論思維的德國人不同，焦耳具有英國人重視實驗的傳統。他先後用了四十多年時間，進行了大量實驗。1840年，22歲的焦耳首先測定了電流的熱效應，發現一定時間內電流通過導線所產生的熱量，同導線的電阻和電流強度平方乘積成正比。這就是著名的焦耳定律。焦耳根據這一實驗設想電能因阻力而轉化為熱能了。這些思想集中體現在他的第一篇論文：《論伏打電池產生的熱》。1843年，焦耳又做了一個實驗，他把盛有水的容器放進磁場中，然後讓一個線圈在水中旋轉，測量運動線圈中感生電流產生的熱和維持運動所消耗的能量。實驗說明消耗的能和產生的熱能與電流的平方成正比。因此，產生的熱和用來產生的機械動力之間存在恆定的比例。焦耳把這一實驗結果寫在他的第二篇論文：《論電磁的熱量效應和熱的機械值》。 焦耳的研究並沒有立刻引起人們的注意。英國皇家學會拒絕發表他的兩篇論文。因為在皇家學會看來，作為釀酒商的年輕焦耳的發現不可能有多大學術價值。在朋友們勸告下，焦耳申請自然哲學教授的候選人，但因他的容貌缺陷而未獲准。焦耳繼續當一個釀酒商，並繼續他的科學研究。 1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗的學術講演，介紹了他測定熱的機械當量的新實驗，即用銅製翼輪來攪動水，使水溫升高，而轉動翼輪的動力用砝碼下落來提供。地方報紙起初不予理睬，有一家報紙甚至拒絕報導這件事。經過很長時間的爭論，《曼徹斯特信使報》才全文發表了焦耳的演說。在1847年6月，這個論題又提呈到牛津會議上，大會主席建議只由焦耳作簡要報告，而無須進行討論。當會議絲毫不考慮焦耳新思想而要立即轉入其他議程的時候，年輕的威廉．湯姆遜站起來發言，從而引起了人們對這個理論的新興趣。結果，焦耳的能量守恆和轉化定律的思想引起了很大的轟動，焦耳本人才成為科學界注意的人物。 1849年，焦耳在他的《熱的機械當量》論文中宣佈了他的新實驗結果：要產生能使1磅水（在真空中稱量，溫度在55°F－60°F之間）提高1°F的熱量，需要花費相當於772磅重物下降1英尺所作的機械功。此值相當於4.157焦耳／卡，很接近現在的4.184的數值。為了系統地測量各種能量形式轉化的當量關係，以最精確的實驗來證實能時守恆的論斷，焦耳從40年代開始，做了四百多次實驗，直到1878年獲得最後的數據。這時，一個二十多歲的年輕小伙子，已變成六十多歲的白髮老頭子了。 1847年，當焦耳在英國報告他的能量守恆和轉化定律時，26歲的德國物理學家赫爾姆霍茨（Helmholtz，1821－1894）在柏林物理學會上宣讀了他從研究動物熱的途徑中發現了能量守恆和轉化定律的論文：《活力的守恆》。這篇論文被權威們看成是異想天開的思辨，波根多夫主編的物理學年鑒雜誌同樣拒絕發表它。赫爾姆霍茨在這種情況下，不得不掏腰包自費印刷，1847年以小冊子的表式散發，仍然很不受重視。1853年，它受到物理學家克勞胥斯的強烈抨擊。後來，杜林等還對赫爾姆霍茨進行了人身攻擊，辱罵他的發現是不誠實的，是從邁爾那裡剽竊來的。其實，邁爾、焦耳和赫爾姆霍茨都各自獨立地發現了能量守恆和轉化定律。然而後來，焦耳和赫爾姆霍茨卻都愉快地承認了邁爾的優先權。 幾乎與邁爾、焦耳和赫爾姆霍茨的發現同時，英國業餘科學家、律師格羅夫從對電的研究，也達到了能量守恆和轉化定律的發現；丹麥物理學家、工程師柯爾丁通過磨擦實驗，測定了熱功當量。1853年，威廉．湯姆遜（W．Thmson，1824－1907）對能量守恆和轉化的思想作了精確的表述：當一個物質系統從某個給定的狀態，無論以任何方式過渡到一個固定的零點時，它在系統外所產生的用機械功來量度的各種作用的總和，就是該系統在這一定狀態所具有的能量。能量就是表徵物質系統狀態的函數。 恩格斯從辯證唯物主義的高度對能量守恆和轉化定律加以概括和總結，指出：「運動的不滅不能僅僅從數量上去把握，而且還必須從質量上去理解」。所謂量的方面，指的是物質的運動既不能創造，也不能消滅，只能轉化，並且在轉化中有嚴格的當量關係；所謂質的方面，指的是物質運動形式是多種多樣的，這些運動形式的相互轉化的能力是永遠不會喪失的，而這種轉化的條件是物質運動本身所具有的，這樣，能量守恆和轉化定律便成了一條普遍規律，正如恩格斯所指出：「任何運動形式都證明自己能夠而且不得不轉變為其他任何運動形式。」到了這種形式，規律便獲得了自己的最後的表達。由於有了新的發現，我們可以給它提供新的證據，提供新的更豐富的內容。但是，對於如此表述的規律本身，我們是不能再增加什麼了。在普遍性方面——其中形式和內容都同樣普遍——這個規律是不可能再擴大了：它是絕對的自然規律。 發現過程的啟示 大凡一門科發現，都經歷潛在的孕育階段和成熟問世階段。能量守恆和轉化定律當然也不例外。 作為潛在孕育階段的能量守恆和轉化定律，經歷了一個相當漫長的時期，體現了歷史的和邏輯的統一性。伴隨著人類最初磨擦取火，經過蒸汽機的發明，到各種運動形式之間轉化的歷史行程，人類在邏輯認識上也從「磨擦是熱的一個源泉」，經過「一切機械運動都能借磨擦轉化為熱」，到「在每一情況的特定條件下，任何一種運動形式都能夠而且不得不直接或間接地轉變為其他任何運動形式」。經過這三種個別性、特殊性和普遍性的判斷之後，能量守恆和轉化定律才獲得了自己的最後的表達。 能量守恆和轉化定律以普遍性的判斷作為自己最後的理論表達形式，是離不開先前在經驗基礎上的個別性和特殊性判斷的。換言之，理論離不開經驗；成熟的科學發現不能沒有探索過程；顯科學是以潛科學為基礎的。正如門捷列夫所說：「科學的威力和力量在於無數的事實中；而科學的目的在於概括這些事實，並把它們提高到原理的高度。這些原理發源於我們智力活動的簡單基礎；但它們在同等程度上，也起源於實驗的世界和觀察的領域。……」搜集事實和假設還不是科學，它僅只是科學的初階，但不通過這個初階，就無法直接進入科學的殿堂。在這些初階上寫著「觀察、假設和實驗」。事實上，我們從能量守恆和轉化定律發現的過程中，更為清楚地認識到潛科學對於顯科學的重要性。 科學就是探索未知。科學探索活動就是潛科學活動。從認識論上講，它要從現象到本質，從一級本質到二級本質，再到更深層次的本質。因此，潛科學活動是遵循辯證唯物論的認識路線的。同時，潛科學活動又是一種社會現象，受到各種因素的影響。正確的、積極的因素促進潛科學事業的發展；而錯誤的、消極的因素則窒息潛科學事業的成長。從這種意義上來說，潛科學活動決不是一帆風順的，它的道路是曲折的。能量守恆和轉化定律問世時所遇到的種種阻力就是明證。真理是不可抗拒的。科學探索者們前赴後繼，終於取得了能量守恆和轉化定律的最後表達形式，成為人類認識自然的偉績豐碑，而載入科學史冊。 正如嬰兒墜地的第一聲啼哭決不是一首好詩一樣，能量守恆和轉化定律的最初問世難免帶有不完善之處。波根多夫主編的雜誌拒絕發表邁爾的論文，原因之一是論文裡沒有實驗工作。實際上，邁爾論文中的能量守恆和轉化的思想正是在觀察和實驗的基礎上提出來的。對新發現吹毛求疵而不看其本質，缺乏扶植科學幼苗的熱情，很容易導致科學發現蒙受災難。這裡，既有學術水平問題，又有道德修養問題。因此，評定科學成果時必須實事求是，拋棄妒賢忌能和學閥的作風。 對於科學發現者本人來說，應當學會在艱苦複雜的外因環境中奮鬥進取。邁爾遭受精神摧殘是令人同情的，但是採取自殺行為是不足取的。因此，科學技術工作者在探索的實踐中既要加強學術修養，又要加強意志力和思想品質方面的修養。只有這樣才能真正為科學技術事業做出貢獻。 ------------------ 亦凡公益圖書館掃校 |
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