環球科學朝聖

第七節 焦耳國葬陵墓中的紀念碑

　　作為英國的國葬陵墓，許多英國曆史上的帝王和皇室成員都葬在威斯敏斯特大教堂。不過，這裏並不是皇家的專用墓地，許多英國著名的科學家、藝術家和社會名流，如達爾文、牛頓、丘吉爾等人都安葬在這裏。

　　1889年10月11日，71歲的焦耳在家鄉索福特逝世。後人為了紀念他，不僅把功和能的單位定為焦耳，還在威斯敏斯特教堂裏劃出一席之地，為他樹立了一塊紀念碑。

　　焦耳生前大概不會想到，他死後會得到如此崇高的榮譽。他出身在一個釀酒商人的家庭裏，從小就跟著爸爸釀酒，沒有機會進學校讀書學習，但小焦耳勤奮好學，一邊勞動一邊認識了很多字。

　　16歲那年，在別人的介紹下，焦耳拜著名化學家道爾頓為老師。道爾頓身體不好，焦耳跟隨他學習的時間並不長，但道爾頓給予了焦耳熱情的教導，向他傳授了數學、哲學和化學等方麵的知識，還教他掌握了理論與實踐相結合的科研方法，從而激發出焦耳對化學和物理的興趣。他把父親的一間房子要來改成實驗室，開始了科學研究。

　　1840年，焦耳把環形線圈放入裝水的試管內，測量不同電流強度和電阻時的水溫。通過這一實驗，他發現導體在一定時間內放出的熱量與導體的電阻及電流強度的平方之積成正比。1843年8月21日，焦耳在一次學術報告會上，宣讀了題為《論磁電的熱效應和熱的機械值》的論文，證實熱是一種能量交換的形式。很多大科學家都表示懷疑，他們不相信電與熱的關係會如此簡單，更不相信一個沒有名牌大學文憑的釀酒技師會提出什麽新見解。

　　四年後，俄國科學家、彼德堡科學院院士楞次重複了焦耳的實驗，測量的結果和焦耳的完全一致（後來人們把這個定律叫做焦耳-楞次定律）。盡管如此，英國皇家學會還是不肯承認焦耳的發現。

　　有一次，在牛津召開英國科學協會會議，焦耳上台宣讀熱和功的論文，再一次談到他的實驗和他發現的定律，大會主持人居然橫加幹涉，要焦耳少講一點兒自己的實驗。

　　盡管不斷遭到冷遇，但焦耳沒有灰心喪氣，他以極大的毅力，采用不同的方法，長時間地反複進行實驗。1847年，焦耳做了迄今被認為是設計思想最巧妙的實驗：他在量熱器裏裝上水，中間安上帶有葉片的轉軸，然後讓下降的重物帶動葉片旋轉，由於葉片和水的磨擦，水和量熱器都變熱了。根據重物下落的高度，可以算出轉化的機械功；根據量熱器內水的升高的溫度，可以計算水的內能的升高值。把這兩個數據進行比較，就可以求出熱功當量的準確值來。

　　焦耳以百折不撓的精神，終於在1850年使自己的科學發現獲得了科學界的公認，英國皇家學會依據他在物理學上做出的重要貢獻，接納他為會員。這一年，焦耳才32歲。

　　焦耳年輕的時候，歐洲掀起了一股“永動機熱”，很多人異想天開地想發明出一種不用消耗能量就能永遠做功的機器來。德國有個機械師，製造出了一台“永動機”，過了12個月輪子還在轉動。可是當有人想檢查這台神奇的裝置時，他竟勃然大怒，自己動手把“永動機”砸毀了。還有個叫雷德赫韋的人，在紐約展出了他製造的“永動機”，據說靠的是輪子頂部滑來滑去的重塊和滑道來提供能量。科學家富爾頓親自前去考察，證明這不過是個騙人的把戲而已。

　　盡管“永動機”的騙局一再被拆穿，很多“永動機迷”還是陷入其中不能自拔，焦耳就是其中的一個。為了揭開“永動機”的奧秘，他通宵達旦地苦思冥想，設計出一個個方案，製作出一個個機件，幾乎消磨了他全部的業餘時間，但是到頭來全都以失敗告終。

　　這一連串的失敗引起了焦耳的深思，為什麽看上去設計得無懈可擊的機器，一運轉起來就成了一堆廢物呢？焦耳迷途知返，毅然退出了幻想的迷宮，轉向腳踏實地的科學研究，探求隱藏在失敗背後的科學真諦。經過勤奮的實踐，他終於找到了熱功當量，為建立能量守恒定律做出了傑出的貢獻。這個定律就好像一塊警告牌，上邊寫著“此路不通”四個大字，插在了尋找“永動機”的十字路口。焦耳還現身說法，語重心長地告誡那些仍舊迷戀永動機的人說：“不要永動機，要科學！”

　　焦耳功成名就後，並沒有止步不前，他仍然不間斷地對熱功當量進行測量。從1849到1878年，焦耳反複做了400多次實驗，所得的熱功當量值幾乎都是423.9千克米/千卡，這和現在的公認值427千克米/千卡相比，隻小了0.7%。在當時的實驗條件下，一個重要的物理常數能保持30年不做較大的更正，簡直是物理學史上的奇跡。

　　科學小常識

　　焦耳-湯姆孫效應

　　與焦耳的名字相聯的除了焦耳-楞次定律外，還有焦耳氣體自由膨脹實驗、焦耳-湯姆孫效應、焦耳熱功當量實驗、焦耳熱等。

　　1847年，當29歲的焦耳在牛津召開的英國科學協會會議上再次報告他的成果時，物理學家威廉·湯姆孫（後來受封為開爾文勳爵）本來想聽完後，就站起來反駁他。可是聽著聽著，湯姆孫竟然被焦耳完全說服了，兩人從此成了好朋友，共同完成了很多實驗。

　　在焦耳發表的97篇科學論文中，有20篇是他們的合作成果。他們在共同進行多孔塞實驗（1852年）時，發現當自由擴散氣體從高壓容器進入低壓容器時，大多數氣體和空氣的溫度都會下降。

　　這一現象後來被稱為焦耳-湯姆孫效應。

　　這個效應在低溫技術和氣體液化方麵得到了廣泛的應用。

　　科學小常識

　　永動機為什麽製造不出來？

　　根據物理學的熱力學定律，永動機在理論上是不可能製造出來的。根據熱力學第一定律：能量不能自生，也不能自滅；在一個封閉的係統裏，總能量保持不變。永動機需要輪子或傳動裝置，它們轉動時必然會有摩擦，而摩擦力使動能轉化成熱能，散發到空氣中去，就會減少輪子做功的能量。要想保持傳動裝置轉動，就必須補充新的能量，但傳動裝置本身卻不會創造出新的能量。

　　有人曾設想，能量雖然不會自生，但也不會自滅，能不能利用損耗的熱能做功，使機器的能量不斷循環呢？根據熱力學第二定律，這也是不可能的。

　　能量不可能從低溫熱源自動傳到高溫熱源，也就是說，熱量不可能從冷的地方傳到熱的地方，這二者不會顛倒，一旦雙方溫度相等，熱量也就停止傳遞了。簡單地說，熱量不可能全部轉化為能量。