概念规律：能量守恒定律的建立

参看录像转视频材料《能量守恒定律建立》２７′　

能量守恒与转化定律的建立　

（初期思想萌生于１７世纪的力学研究；定律完成于１９世纪４０年代）　

能量守恒和转化定律的建立，是继牛顿力学建立之后近代物理学发展中又一次伟大的综合。它和生物进化论、细胞学说一起，被称为１９世纪中叶的“三大发现”。　

一、能量原理产生的时代因素　

１．从“活力”到“功”（跳转１）　

能量原理发展的前史表明，对运动转化过程定量化的认识，在近代自然科学发展的初期，是以一个动力学定理的形式出现的，一直被称为“活力守恒原理”。早在１７世纪初，伽利略已经发现了摆球的等高性，并且提出了“等末速原理”。１６６９年，惠更斯在弹性碰撞的研究中，提　出了这个量，并得出在完全弹性碰撞中，在碰撞前后不变的结论。年，莱布尼兹把称为“活力”，并断言宇宙中真正守恒的

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2　量正是活力。到１８世纪初，在约翰?伯努力利的著作里，就一再提到“活力守恒”。１８世纪中叶后，欧勒已经认识到，在有心力作用下，从一个定点开始运动的物体，在它通过任意途径到达离辏力中心有同样距离的任何位置时，其活力都相等。“活力守恒”实际上是能量守恒原理的一个特殊情况。

语，定出其单位为千克?米，并提出了机械过程中的能量守恒的原理：功的代数和的二倍等于活力之和；任何时候都不能从无中产生功或　

活力，功和活力也不能转化为无。科里奥利主张，活力应表示为，12

mv 2　因为这样一来，它在数值上就等于所能做出的功。这样功这一概念，就从机械效率的研究中引入了物理学。　

至于“能”的概念，最早是由约翰?伯努利在１７１７年使用的。１８０７年，英国物理学家托马斯?杨建议将ｍｖ２称为能量，不过他的意见在很长时间里未能引起重视，科学家们仍然用“力”这个词来表示能量。　

　

２．“永动机”幻想的破灭　

永动机之不可能实现，是导致能量原理建立的另一重要线索。　

早期一个很著名的永动机设计方案，是１３世纪法国人亨内考（Ｖ．ｄｅ　Ｈｏｎｎｅｃｏｕｒｔ）提出的“魔轮”。他在一个轮子的边缘等距离地装上１２根活动杆，杆端装以重球。他设想，当轮子转动起来后，由于右侧的垂球离轮心更远，特别是重球向右甩出的作用，就会压使轮子永不停息地转动下去。但实际上轮子转动一两圈后就停了下来。　

　

后来，意大利的达?芬奇（１４５２—１５１９）根据同样的原理，制造了一个“重球永动机”，利用轮辐的特殊形状，使右边的球滚向轮子的边缘，而左边的球会自动滚向中心。本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的。达?芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。但１７世纪时，英国一个关在伦敦塔下的犯人马尔基斯，却重新制造了一个类似的装置，转轮的直径大约５

米，内装４０个弯曲轮辐，每个轮辐间放一个重２５公斤的钢球。他用这个装置向国王查理一世作了表演，受到国王的嘉奖而特赦了他。其实这个转轮只能靠惯性维持短时间的运转。　

　

１６世纪７０年代，意大利一个机械师斯特尔提出一个“螺旋汲水器永动机”设计方案：由高处水槽中流出的水，冲击水轮机转动，在带动水磨工作的同时，通过齿轮组带动螺旋汲水器，把流到下面蓄水池里的水重新提升到上面的水槽中。如此周而复始，整个系统就可以不停地运转下去，并完成有效的工作。一时间，形形色色的自动水轮机方案纷纷提了出来，但是没有一个能把流到下面的水全都提升上去；所以，上水槽的水很快流完了，机器也随之停转。　

　

１７世纪，英国人维尔金斯把磁力和重力结合起来，设计出了“磁力—重力永动机”。如图所示，在立柱上端放一个大磁体，立柱旁边倚靠着一个斜面和一个弧形轨道，斜面下放一个铁球，斜面上下各开一个可以通过铁球的圆孔。维尔金斯设想，由于大磁体的吸引，铁球会沿斜面滚上去；当它滚到上面的圆孔处时，由于重力的作用会掉落下来，并沿着弧形轨道滚向下方；由于惯性的作用，铁球会绕过弯曲的地方钻出下方的圆孔，然后又被磁体吸引上去。这样，铁球不就可以连续上下滚动了吗？这个设想当然不可能实现。因为，如果磁体的磁力特别强，可以把铁球吸引上去，那么就不会让它再滚落下来的。　

　

层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检

验下一一失败了，以致法国科学院在１７７５年作出决议，认为永动机是不可能制成的，并严正声明：“本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”。　

３．自然现象之间联系和转化的普遍发现（跳转２）　

１８世纪未到１９世纪中叶，自然科学上一系列重大发现，广泛揭示了各种自然现象之间普遍的联系和转化。　

１７９８年伦福德的钻炮实验和１７９９年戴维的摩冰实验，证明了机械运动向热的转化；而１８世纪蒸汽机的发明与使用，又实现了热运动向机械运动的转化。　

　

１８２１年塞贝克发现了温差电现象（热电偶），１８３４年珀尔帖又发现了其逆效应，１８４０年焦耳定律的发现，都证明了电运动和热运动之间的相互转化。　

　

１８００年伏打电堆的发明以及随后发现的电解现象，完成了电运动和化学运动之间的转化。　

　总之，到１９世纪４０年代前后，欧洲科学界普遍酝酿着一种思想氛围，以一种联系的观点去观察自然现象。正是在这样的条件下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同途径，各自独立地发现了能量守恒原理。在这些天才人物中，迈尔、焦耳和赫姆霍兹更是声誉卓著的佼佼者，对这一普遍原理的确立，作出了奠基性的贡献。　

（跳转４）　

二．迈尔—从自然哲学走到伟大定律面前的人（跳转５）　

　

１８４０年，德国青年医生罗伯特?迈尔（Ｒ．Ｍａｙｅｒ，１８１４—１８７８）在一艘从荷兰驶往爪哇的船上作随船医生，他发现热带地方病员的静脉血像动脉血一样鲜红；他还听船员们讲暴风雨后海水比较热。这些现象促使迈尔去思考各种自然力之间的相互转化。　

１８４１年回国以后，他一直思考着这个问题。据说有一天他和朋友在马路上看到一辆四匹马拉的车奔驰而过，他问朋友马的拉力产生了什么效果，朋友回答说使车子的位置了生了移动。他反问说如果马拉车回到原处呢？难道说马的拉力就没有任何效果了？他认为，马是靠食物的氧化产生体力来拉车的，车又通过磨擦使路面和车轴发热，它们之间必然有一种确定的关系。　

　

在１８４２年发表的《论无机界的力》的论文中，迈尔从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的哲学思考出发，并把物理上的“力”和化学上的“物质”类比，由“物质不灭原理”得出“力是不灭的、可转化的、无重量的客体”的结论。在进一步的论述中，迈尔又提出了下落力、运动力和热互为当量的思想，并强调了确定热的机械当量的必要性。他根据当时已知的气体的定压比热和定容比热的测定值，给出了１千卡＝３６５千克米的结果。　

１８４５年，迈尔自费出版了《论有机运动与新陈代谢》。在这篇论文中，他首先肯定了力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。接着迈尔考察了五种不同形式的“力”，即“运动的力”、“下落力”、“热”、“电”和“化学力”，描述了运动转化的二十五种情况，作出了否定热质和其他无重流质的结论。他根据当气体的温度发生确定的变化时，定压过程中吸收的热量大于定容过程中吸收的热量的事实，计算出热功当量的数值为Ｊ＝３６７千克米／千卡，相当于Ｊ＝３．４８焦耳／卡。这个计算方法

实际上就是后来所说的迈尔公式Ｃ

Ｐ－Ｃ

Ｖ

＝Ｒ的另一种形式。　

迈尔还把自然力的转化与守恒的原理推广到生物机体中，指出了在机体内发生着化学力转化为其他自然力的复杂过程，并说明地球上的各种力都是太阳供给的，如植物把太阳的光和热转化为化学力，动物通过消化食物又把这种化学力转化为体热和肌肉运动的机械力。　

（跳转６）　

三．焦耳—用精密实验给定律奠定坚实基础的第一人（跳转７）　焦耳（Ｊ．Ｐ．Ｊｏｕｌｅ，１８１８—１８８９）是曼彻斯特一个酿酒商的儿子和业余科学家。很早就关心各种物理力的转化问题。　

　

焦耳注意到电机和电路中的发热现象，促使他对电流的热效应进行了定量实验，１８４０年得出了著名的焦耳定律。　

　焦耳想到，磁电式发电机的感生电流应该与来自化学电源的电流一样地产生热效应。他使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流，线圈放在量热器内。这个实验完全证实了热可以由磁电机产生。焦耳从这个实验立即领悟到热和机械功可以互相转化，在转化过程中遵从一定的当量关系。这样，“探求热和失去或得到的机械功之间是否有一个恒定的比值，就成了十分有意义的课题”。焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条细线，跨过两个定滑轮后挂上几磅重的砝码，由砝码的重量和下落距离可以计算出所作的功。他共做了十三组实验，得出了一个平均结果：“能使１磅水的温度升高华氏１度的热量，等于（并可转化为）把８３８磅重物提升１英尺的机械功。”这个值相当于４６０千克米／千卡。这个结果被总结到他１８４３年８月２１日宣读的《论磁电的热效应和热的机械值》论文中。　

　１８４４年，焦耳又做了测定空气在压缩和膨胀时产生的热量变化的实验，求得了热功当量的平均值７９８磅码／英热单位。　

　

１８４７年６月，在牛津举行的英国科学促进协会的会议上，焦耳争取到了简单介绍他的最新实验的机会。焦耳报告了他用砝码下落带动铜制的翼轮分别搅动水、鲸脑油和水银的实验，分别测得热的机械当量为７８１．５磅码／英热单位，７８２．１磅码／英热单位和７８７．６磅码／英热单位。这个报告由于受到当时已很有名气的青年物理学家Ｗ．汤姆逊（Ｗ．Ｔｈｏｍｓｏｎ）从热质说观点提出的质询而引起了人们的注意。后来，焦耳继续进行摩擦生热的实验。１８４９年６月２１日，他通过法拉第把论文《论热的机械当量》送交皇家学会。在这篇论文中，焦耳全面地整理了他用摩擦水、水银和铸铁的方法测定热功当量的实验结果，最后得出两个重要结论：　

“第一，由物体（不论固体或液体）的摩擦所产生的热量总是与所消耗的力之量成正比；　

第二，要使１磅水（在真空中和５５°Ｆ—６０°Ｆ时称量）的温度升高１°Ｆ，需要消耗相当于使７７２磅的重物下落１英尺的机械力。”　

　

焦耳测定热功当量的工作一直进行到１８７８年，先后采用不同的方法做了四百多次实验，以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明。１８５０年，焦耳当选为英国皇家学会会员。　

四．赫姆霍兹——以理论物理学的模式对定律作出数学论证的第一人（跳转９）　

　

德国年青的科学家赫尔曼?赫姆霍兹（Ｈ．Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ，１８２１—１８９４）是从对永动机的否定出发，去思考自然力之间的真实关系这一问题的。　

１８４７年，赫姆霍茨自费出版了《论力的守恒》这一著名的著作，从物理假设和已有的物理理论出发，导出可与经验相比较的结论，论证了这一基本原理。　

在“导言”中，赫姆霍茨首先提出了建立这一原理的两个出发点：“或者从不可能借自然界物体的任何组合的作用而获得无限量作功的力这一原理出发；或者假定自然界中一切作用都可以归结为引力和斥力，其强度仅取决于相互作用的质点间的距离。”　

赫姆霍茨认为自然科学的基本任务就在于“把自然界种种现象归结

为固定不变的吸力或斥力，它们的强度取决于距离。”他他把这种中心力看作自然界种种变化的“始终不变的终极原因”，并证明了这种力的保守性，指出：“某质点在有心力作用下位移时，其活力的增加等于与它距离的改变相对应的张力的总和。”他证明了这种力的保守性同永动机的不可能实现彼此是同一的，并得出了更普遍的“力的守恒原理”：“当自由质点在吸力和斥力（它们的值取决于距离）的作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力的总和是守恒的。”　

赫姆霍茨具体研究了能量守恒原理在各种物理、化学过程中的应用，指出，在万有引力作用下产生的一切运动（包括天体的运动和地球上有重物体的运动），用不可压缩的固体或液体传递的运动（如由简单机械所传递和改变的运动），完全弹性固体和液体的运动（包括菲涅耳用活力守恒定律导出光的折射和偏振），波的吸收和辐射热等都符合“力的守恒原理”。赫姆霍茨通过非弹性碰撞、摩擦等过程研究了“热的力当量”，指出在这些情况下，如果发生了活力的损失，那就会产生其他形式的“力”，首先是热。因此，“热的数量可以通过机械力来使之增加，因此，热现象不可能用一种物质推论出来，不可能以这种物质的存在为条件，而只能从某些熟知的有质体的变化和运动中，或者是从无质体如电或以太的变化或运动中推论出来。”　

关于化学反应中热的产生，赫姆霍茨指出黑斯定律是力的守恒原理的一个特例。他还分析了电和磁的现象，得出了不同情况下能量的表达式；并从力的守恒原理出发，否定了长期以来引起激烈争论的关于伽伐尼电流的来源的“按触说”。在论文的最后一部分，赫姆霍茨讨论了把力的守恒原理应用到生物机体中去的可能性。　

这样，赫姆霍茨就系统地证明了力的守恒定律“与自然科学中任何一个已知现象都不矛盾”，他确信“这个定律的完全证实将是不远的未来物理学家们的基本任务之一”。　

五．伟大的运动基本定律（跳转１０）　

１８５３年，Ｗ．汤姆逊重新恢复了“能量”概念，并给予它一个精确的定义：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用的总和。”这样，格拉斯哥的力学教授兰金（Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｊｏｈｎ　Ｒａｎｋｉｎｅ，１８２０—１８７２）就首先把“力的守恒原理”改称为“能量守恒原理”。大约到了１８６０年左右，这个原理才得到普遍承认，而且很快成为物理学和全部自然科学的重要基石，任何一种科学理论，都必须经受住能量守恒原理的检验。不过，这一重要原理的发现者们都只是从量上强调了能量的“守恒”。１８８５年，恩格斯首先指出了这种表述的不完善性，他把这个原理改述为“能量转化与守恒定律”，准确而深刻地反映了这一定律的本质内容。　

附件１：　

从“活力”到“功”　

能量守恒定律的前史表明，使转化过程定量化的模式在近代自然科学发展的初期，是以一个动力学定理的形式出现的，一直被称为“活力

守恒”原理。早在１７世纪初，伽利略已经发现了摆球的等高性，并且提出了“等末速原理”；惠更斯在１６６９年关于弹性碰撞的研究中，提出了　mv m v 2i i 这个量，并得出在完全弹性碰撞中这个量在碰撞前后不变2∑　结论。１６７３年他又在关于摆的研究中证明了靠重力运动的物体系的公共重心不可能高于运动之初的重心位置；他还由此作出了用力学的方法不可能造出永动机的结论。１７世纪末，在莱布尼兹掀起的与笛卡儿学派关于“运动的量度”的争论中，把ｍｖ２称为“活力”（ｖｉｓ　ｖｉｖａ），而且断言，宇宙中真正守恒的量正是活力。到了１８世纪初，在约翰?伯努利（Ｊｏｈａｎｎ　Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ，１６６７—１７４８）的著作里，就一再谈到“活力守恒。”他指出，活力在表面上消失时，必是转变成另一形式了，比如在非完全弹性碰撞中，物体不能完全恢复原状，都分活力被保存在压缩体内了。到１８世纪中叶后，欧勒已经认识到，在有心力作用下从一个定点开始运动的质点，在它通过任意途径到达离辏力中心有同样距离的任何位置时，其活力都是相等的。到１９世纪初，“作为成熟的知识建立了如下的命题：在一个彼此有向心力作用的质点系统内，活力仅仅取决于系统的位形和依赖于位形的力函数。”①　

“活力守恒”原理在力学的发展中起过独特的作用，它实际上是能量守恒的一个特殊情况。前述这些论断虽然还不能算作是对机械能守恒定律的确切表述，但却为后来能量守恒原理的确立，特别是对赫姆霍兹、迈尔能量守恒思想的形成有很大的帮助。　

不过，“活力”在１８世纪是被当作一个形而上学的概念使用的，活力守恒最初也是围绕在宇宙里到底是什么量表征出运动的守恒性这个形而上学的问题被理解的，所以ｍｖ２还没有被人们看作是物理学的一个基本的定量单位。在实际的力学问题和关于机械效能的讨论中，人们更多地是采用力与路程的乘积这个更具有力学直观性的物理量。不过在早期的力学研究中，由于是与活力守恒的直觉认识联系在一起的，人们更多注意的是物体的竖直位移。在伽利略、惠更斯关于落体、斜面和摆球运动的理论中，物体的速度都单值地与一定的高度变化相联系。莱布尼茨也是把与重量和高度的乘积等值的运动作为基本量来考察运动的量度“活力”的。１７３８年，丹尼尔?伯努利（Ｄａｎｉｅｌ　Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ，１７００—１７８２）在对他所提出的“伯努利方程”进行说明时指出，活力守恒就是“实际的下降等于潜在的上升”。直到１７４３年，达兰贝尔在《动力学论》中才超脱出竖直位移，提出一个含有“功”的胚胎性概念的较普遍的公式，　说作用于一个物体系的力将会增加其活力，其中是质量为m u u m i i 2i i ∑　的物体在该力作用下沿着力的方向运动所可能获得的速度；但达兰贝尔还没有赋予力乘距离以更一般的意义，也没有为他规定名称。　

１７８２年，Ｌ?卡诺（Ｌａｚａｒｅ　Ｃａｒｎｏｔ，１７５３—１８２３）在《略论一般机器》中才把力乘距离称为“潜活力”、“活性力矩”，并写道：“我称之为活性力矩的那种量，在机器运转理论中起着很大的作用。因为一般说来，正是这个量人们必须尽可能予以节省，以便从一个作用（即一个能源）中导引出一切为它所能发生的［机械］效应。”①这使这个量在动力学理论中具有了新的重要性。但是，直到１８２０年前后，当这个新的动力学观点在法国出版的一系列有关机械技术理论的著作和论文中得到更

为充分的阐明时，“功”才逐渐成为一个独立的重要概念。特别是在分析机器的运转中，功的概念是被作为一个基本参数看待的，显示出了它的重要性。法国工程师萨迪?卡诺用升高的重量与升高的高度的乘积来评价机器的功效，他把这个乘积称为“作用矩”；法国数学家蒙日（Ｃｏｍｔｅｄｅ　Ｐ?Ｍｏｎｓｇｅ，１７４６—１８１８）把功称为“动力效应”。法国物理学家科里奥利（Ｇ．Ｇ．Ｃｏｒｉｏｌｉｓ，１７９２—１８４３）在《对机　

器效率的计算》（）一书中，坚决主张活力应表示为，因为1829mv 212

　这样一来，它在数值上就会等于它所能作的功②，这就是现在所说的动能。科里奥利多次用了“功”这个词。法国工程师彭塞利（Ｊｅａｎ　Ｖｉｃｔｏｒ　Ｐｏｎｃｅｌｅｔ，１７８８—１８６７）可能是受到科里奥利的影响，在１８２９年的《工程机械学导论》中，明确地推荐了“功”这一术语，定出其单位为千克?米，并明确地形成了机械运动中的能量守恒原理：功的代数和的二倍等于活力的和；任何时候都不能从无中产生功或活力，功或活力也不能转化为无，而只能组成无。……总之，这一时期许多人都用力和距离的乘积作为衡量发动机功率大小的标准。这样，“功”这一概念就由于１９世纪初科学家们对机械效率的重视而被引入了物理学。　

“功”这一概念及其测量单位的确定，活力被重新定义为，12

mv 2　这就为改造“活力守恒定律”——即用所做的功等于所产生的动能来表示守恒定律——创造了条件；而只有经过这样的改造，活力守恒才能为运动转化过程的定量化研究提供明确的观念模型；“功”的概念的形成，也找到了各种物理力与“某一标准的可量度的关系”，使最终定量地编织出各种物理力相互转化的网络得以实现。　

从概念的准备来说，“能”和“势函数”的概念，也是从力学的研究中首先形成的。１７１７年，约翰?伯努利在叙述虚位移原理时，已经用“能量”这个词来表示虚功。后来托马斯?杨在１８０７年出版的《自然哲学和机械技艺讲义》中建议将ｍｖ２称为能量①。不过，他所提出的能量概念，在很长的时间里很少引起人们的注意。直到１９世纪４０年代，人们还是用“力”的概念来表示能量。　

“力函数”或“势函数”，是动力学中的另一个重要概念。１７３８年，Ｄ．伯努利在《流体动力学》中建议用“位势提高”来代替“活力”概念，认为这可以使一些哲学家（科学家）更易于接受；因此他引入了“势函数”这一术语，并指出可以用势函数导出力。１７５５年，欧勒在关于流体力学的研究中，引进“速度势”函数Ｓ，从而将理想流体的分速度ｕ、ｖ、ｗ分别表示为　

u S x v S y w S z

===??????，，，　由此得出了“欧勒方程”：　

??????2222220S x S y S

z

++=　它表示不可压缩流体的连续性运动中的物质守恒。　

１７７７年，法国数学家和物理学家拉格朗日（Ｊ．Ｌ．Ｌａｇｒａｎｇｅ，１７３６—１８１３）把引力的研究提高到数学分析的高度，指出空间任一点上

万有引力的分量可以简单地用某个函数Ｖ的微商的负值表示，即　

f

V

x

i

i

=?

?

?

．　

１７８２年，他又证明函数Ｖ满足下述方程：　

??

?

?

?

?

2

2

2

2

2

2

V

x

V

y

V

z

++=．　

后来，拉普拉斯把上式表为　

?2V=0 ．　

１８１３年，泊松根据库仑力和万有引力都与距离的平方成反比的数学相似性，把上述方程推广到静电学中，并给出它一个更一般的形式　?2V=-4πρ。　

ρ为“荷”的密度。　

１８２８年，英国数学家格林（Ｇ．Ｇｒｅｅｎ，１７９３—１８４１）明确提出“势”的概念，指出泊松所说的Ｖ就是势函数。１８３４年英国物理学家哈密顿（Ｗ．Ｒ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ，１８０５—１８６５）也引进了“力函数”（“功函数”）以表示只与相互作用着的粒子的位置有关的力。他还把现在说的“势能”称为“张力之和”，而把动能称为“活力之和”。到了４０年代，由于德国数学家和物理学家高斯（Ｃ．Ｆ．Ｇａｕｓｓ，１７７７—１８５５）的工作，“势”这个新函数才得到了普遍的应用。　

杨仲耆、申先甲：《物理学思想史》　附件２：　

自然现象之间联系和转化的普遍发现　

１８世纪未到１９世纪前半叶，包括物理学在内的整个自然科学进入到一个蓬勃发展的新时期。随着研究范围的不断扩大，自然科学上完成的一系列重大发现，日益揭示出各种自然现象之间的普遍联系和相互转化，这成为这一时期自然科学发展的一个显著特征。　

在各种自然现象的联系和转化中，机械运动和热运动的联系和转化是十分普遍的，所以在实践中早已被古人所了解。史前时期的人类已经掌握了火钻法、火锯法、火犁法等用摩擦获得人造火的技法。１７—１８世纪热力机（蒸汽机）的发明与改进，又把热转化为机械运动，从而使这个转化过程完成了循环。但是在“热质说”思想的影响下，人们并没有从中领悟出机械运动和热之间的相互转化。１７９８—１７９９年伦福德的钻炮实验和戴维的冰块摩擦实验为机械运动向热的转化提供了实验证明，戴维在１８１２年更明确地认识到：“各种不同类型的运动是可以不断相互转化的，既然如此，就不存在任何特殊的运动形式”；“热现象的直接原因是运动，它的转化定律和运动转化定律一样，同样是正确的”。①不过，他们的立作并没有摧毁热质说的基础，直到半个世纪之后，他们的工作才受到重视，并且正是以机械运动和热的转化为能量转化与守恒原理的提出奠定了重要的实验基础。　

一个历史的巧合是，为１９世纪相继涌现出来的关于自然现象的联系与转化的一系列发现创造了条件的一个前导性发现，恰恰出现在新世纪

的第一年，这就是１８００年出现的伏打电堆。这个发明本身就是化学运动转化为电运动的一个证据。虽然伏打（Ａ．Ｖｏｌｔａ，１７４５—１８２７）本人坚持以不同金属的“接触”来说明这一装置中电推动力的来源，但有不少科学家（特别是在法国和英国）当时就已认识到了伏打电是电池内部化学反应的转化物，电流的获得是以化学亲和力的丧失为代价的。①无论如何，伏打电堆的发明使人们第一次得到了比较强的稳定持续电流，引发了电化学、电磁联系等一系列重大的发现，加深了人们对光、热、电、磁、化学变化以及机械运动之间的关系的认识，而伏打电池中的转换过程只不过是整个转化链条上的第一环。　

通以电流的导线很快就灼热起来，这是在伏打电堆发明之后人们立即就发现了的。１８０５年，里特（Ｊ．Ｗ．Ｒｉｔｔｅｒ，１７７６—１８１０）用实验演示了用上百对金属板做成的电池使铁丝迅速灼热的现象。戴维则注意到了接通和断开电路时有电火花产生。１８０９年，他用两千对金属板做成一个很大的电堆，使强电流通过两根炭棒得到耀眼的弧光；他还发现电流通过细的铂丝时也会激发出微弱的光亮，而铂丝则在空气中被很快烧掉。　

在伏打电堆发明的当年，英国的尼科尔逊（Ｗ．Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ，１７５３—１８１５）和卡里斯尔（Ａ?Ｃａｒｌｉｓｌｅ，１７６８—１８４０）就将连接电极的导线侵入水中，在二极上分别析出了氢和氧；戴维也从同一年开始了关于电解的定量研究，并由此认识到电流会消除化学亲和力，使复杂的化合物解离成简单的成份。１８３４年法拉第（Ｍ?Ｆａｒａｄａｙ，１７９１—１８６７）得到了电解中的电化学当量定理。这样，电与化学之间的能量转换就完成了循环。　

１８２０年后，一系列更为惊人的能量转换过程接二连三地发现出来。　

关于电与磁之间的相互联系和转化的发现，是１９世纪前半叶最重大的物理学成就之一，它为电磁场理论的建立奠定了最重要的基础。自从１６００年英国科学家吉尔伯特（Ｗ?Ｇｉｌｂｅｒｔ，１５４０—１６０３）指出了电现象与磁现象的区别，断言二者是截然无关的两种基本现象以后，在二百来年的时间里人们都把这两种现象看作是相互孤立的。到１８世纪末，库仑还持有这一观点。１８２０年４月，丹麦物理学家奥斯特（Ｈ．Ｃ．Ｏｅｒｓｔｅｄ，１７７７—１８５１）发现了电流的磁效应，才揭示了电与磁的内在联系。他的发现启发了不少人去寻找这一现象的逆效应，即磁向电的转换，终于在１８３１年由法拉第发现了电磁感应现象，于是电与磁之间的相互转化实现了循环。　

古人早就发现了摩擦生电的现象。从１７世纪以来，人们根据这一现象制造出了摩擦起电机以获得大量的静电荷；而静电荷之间的作用力又可使物体发生运动，这是机械运动和电之间的相互转化。奥斯特的发现表明，电流产生了磁，磁又产生了动能，可以使磁针发先转动。受到这一发现的启发，法拉第于１８２１年将小磁针放在载流导线附近，发现小磁针的磁极受到电流的作用后有绕电流作圆运动的倾向，由此制成了一种“电磁旋转器”。这样，机械运动和电运动之间的联系与转化通过多种途径实现了循环。　

关于热和电之间的转化，首先由德国物理学家塞贝克（Ｔ．Ｊ．Ｓｅｅｂｅｃｋ，１７７０—１８３１）揭示出来①。为了验证关于电流的磁性的某种猜想，塞贝克用铜导线和铋导线连成一个闭合回路，把一个金属结握在手中使两个

金属结之间出现了温度差，结果发现导线上出现了电流，因为旁边的小磁针偏转了。他又通过冷却另一个金属给获得了同样的效应，而且发现，二结之间的温度差越大，产生电流的效应就越强。１３年后，巴黎的珀尔帖（Ｊ．Ｃ．Ａ．Ｐｅｌｔｉｅｒ，１７８５—１８４５）惊人地实现了这个转换过程的逆效应：电流既可以生热，也可以致冷。在由铜导线和锑导线连成的回路上，当电流由锑流向铜时，铜锑结点加热了１０℃；而在电流由铜流向锑时结点上则冷却了５℃。这样，热和电之间的转化也完成了循环。１８４０年焦耳、１８４２年楞次都定量地研究了电流通过导线时生热的现象，即电流的热效应，得到了著名的焦耳一楞次定律。　

１８００年，天文学家赫谢尔（Ｆ．Ｗ．Ｈｅｒｓｃｈｅｌ，１７３８—１８２２）发现了太阳的红外光①。因为当他在连续的太阳色谱的各个部分放上温度计时，发现在红光之外的部分温度最高，他由此认为，太阳的热是由服从反射定律和折射定律的“射线”引起的，这个观点很长时间得不到物理学界的赞同。但是梅隆尼（Ｍ．Ｍｅｌｌｏｎｉ，１７９８—１８５４）利用更加精密的测温仪器温差放大器进行研究的结果表明，热辐射确实具有不同的种类，热射线的多样性正如可见光线的多样性一样。他在１８３４年指出：“对视觉器官而言，光仅仅是一系列能被感知的热的征状，反之也一样，不发亮的热辐射可以证明是不可见的光辐射。”②１８４６年，他在维苏威山上用一个直径为１米的多区域光带透镜和温差电堆及电流计，从月光中得到了微弱的热的征状。他的工作弥合了关于大自然中两个被人们认为是显然分离的方面的基本联系。　

拉瓦锡（Ａ．Ｌ．Ｌａｖｏｉｓｉｅｒ，１７４３—１７９４）和拉普拉斯早已了解到化学反应的热现象的重要性。他们证明了反应过程中所放出的热量等于它的逆效应中所吸收的热量。李比希（Ｊ．Ｌｉｅｂｉｇ，１８０３—１８７３）对发酵和腐烂过程中热的来源作了深入的探讨。１８４０年，彼得堡科学院的亥斯（Ｇ．Ｈ．Ｈｅｓｓ，１８０２—１８５０）提出了关于化学反应中释放热量的重要定律：在一组物质转变为另一组物质的化学反应中，不管反应过程是分几步完成的，释放的总热量是恒定的。拉瓦锡还曾证明动物发出的热量和动物呼出的二氧化碳气的量之比，大致等于烛焰产生的热和二氧化碳气的量之比。李比希则由此认识到，动物的体热和动物进行活动的能量，可能都来自食物的化学能。　

此外，１８０１年里特在发现了太阳光谱中的紫外线之后，研究了紫外线的化学作用。特别是涅普斯（Ｊ．Ｎ．Ｎｉｅｐｃｅ，１７６５—１８３３）于１８２７年发明的摄影术经他的助手达格尔（Ｌ．Ｊ．Ｍ．Ｄａｇｕｅｒｒｅ，１７８９—１８５１）改进之后于１８３９年创造的“达格尔照相法”，更是轰动一时，揭示了光的化学作用，１８３９年，法国的Ｅ．Ａ．贝克勒尔（Ｅ．Ａ．Ｂｅｃｑｕｅｒｅｌ）发现光照射稀酸液中的金属板极能够改变电池的电动势；１８４５年法拉第发现强磁场使光的偏振面发生旋转。这些现象都从许多侧面表现出了不同运动形式之间的联系和转化。　

日益增多的关于各种现象之间相互联系和转化的事实，使人们逐渐把探索的目光转向从彼此分离的事物中去发现前此未知的相互联系。比利时著名物理学家、“耗散结构”理论的创立者伊里亚?普里戈金（Ｉｌｙａ　Ｐｒｉｇｏｇｉｎｅ，１９１７—）在他与伊?斯唐热（Ｉｓａｂｅｌｌｅ，Ｓｔｅｎｇｅｒｓ）合写的《从混沌到有序》中概括说：　

“十九世纪初是以前所未有的实验活动为特征的。物理学家认识到，运动不仅是引起空间中物体相对位置的变化而已。在实验室中识别出来的许多新过程渐渐组成了一个网络，最终把所有这些物理学新领域与另一些更加传统的分支比如力学联系起来。新效应的一个完整网络渐渐被揭露出来。科学的视野以一种前所未有的速度在扩展。”①　这样，在１９世纪４０年代前后，欧洲科学思想中已普遍蕴涵着一种气氛，促使那些敏感的科学家以一种联系的观点去观察自然。正如玛利?萨玛维尔（Ｍ?Ｓｏｍｍｅｒｖｉｌｌｅ）在１８３４年出版的著名的通俗著作《论物理科学的联系》的前言里所说：　

“现代科学的进步，特别是在最近五年内，是很显著的，表现在它倾向于……把［科学的］那些有关的分支联系起来，……［以致今天］存在这样一个统一的结合物，如果不懂得其他一些分支，就不能精通某一分支。”②　

大约到了１９世纪３０年代，物理学迅速地动摇了从１７—１８世纪形而上学的土壤里孕育出来的种种“力，和“无重流质”等概念的基础。各种自然力相互联系和转化的新看法，自觉或不自觉地渗透到科学家们的思想中。１８３４年法拉第在题为《化学亲和力、电、热、磁以及物质的其他动力的联系》的讲演里说道：“我们不能说（这些力中的）任何一种都是其他各种力的原因，我们只能说，它们都有联系，而且是由于一个共同的原因”。他还用九个演示实验说明“任何一种（力）从另一种中产生，或者彼此转化”。③化学家摩尔（Ｃ．Ｆ．Ｍｏｈｒ，１８０６—１８７９）在１８３７年的《论热的本质》中也提出：“除了已知的５４个化学元素外，在事物的本性中还有一个因素，那就是力。它在不同的环境中可以表现为运动、化学亲和力、内聚力、电、光、热和磁，而且从这些形式的任何一种，都可以引发出所有其他的形式。”④英国物理学家格罗夫（Ｗ?Ｒ?Ｇｒｏｖｅ，１８１１—１８９６）在１８４３年所作的《论各种物理力的联系》的讲演中，也明确指出：“我在本文力图确立的论点就是，各种不同的、不能称量的因素．．．．．．．．．即热、光、电、磁、化学亲和力和运动　其中［任何一种］作为一种力，都能产生或转化为其他（那些）因素；因此，热可以通过介质或不通过介质而生电，电可以生热；其他亦然。”　

２．自然界广泛联系的哲学折射　

自然科学上这一富有特色的发展趋势，在哲学上被极为敏感地反映出来。哲学家甚至先于科学家在这种趋势刚刚露出苗头时，已经开始谱写大自然广泛联系的奏鸣曲。　

这种哲学思潮的典型代表，就是流行于１８世纪末到１９世纪初的有机体论的德国“自然哲学”。这种“自然哲学”以有机体作为他们的宇宙科学的基本隐喻，试图寻找一种能解释一切自然现象的统一原理。他们把整个宇宙看作是某一根本性的力的历史发展的产物，因而自然界的各种力都可以从根本上看作是同一个东西。　

（杨仲耆、申先甲：《物理学思想史》）　附件３：　

自然界广泛联系的哲学折射　

１．　黑格尔的“自然哲学”体系以及科学与哲学的分离　

德国古典哲学最伟大的代表黑格尔（Ｇ．Ｗ．Ｆ?Ｈｅｇｅｌ，１７７０—１８３１）认为在自然界和人类社会出现以前，就存在着一种精神本原——“宇宙精神”（“绝对精神”），它是能动的，不断发展的。它在自我发展的过程中经历了逻辑阶段、自然阶段和精神阶段；与此相适应，黑格尔的哲学体系也就由逻辑学、自然哲学和精神哲学三个基本部分组成。在他看来，自然界是绝对精神“外化”、或派生出来的，是“理念”的外在或他在的存在，因此他的自然哲学就是研究自然界中的观念的科学，通过这种研究以求达到思维与存在、主观与客观、精神与自然的矛盾统一。由此建立了他的包罗万象的被他视为“科学的科学”的自然哲学体系。　

黑格尔把辩证法从外部注入自然，以“概念的变化”来代替自然在时间上的发展，认为“自然必须看成许多阶段构成的体系，其中一个阶段必然从另一个阶段产生，并且后一阶段是它所从出的前一阶段的真理”。①他把自然分为三大阶段，即力学、物理学和有机学三个阶段。在对这三个发展阶段的具体讨论中，黑格尔提出了时间、空间与物质运动不可分，物质与运动不可分，热来自物体内部的振动，电与磁的相互转化，光的连续性与间断性的统一，动物的各个部分之间的有机联系等一系列合理的思想。　

黑格尔对当时已有的自然科学成果是尚切熟悉的，因而他对自然科学的概括和分类比起当时的唯物主义者合在一起还更加富有成果。但他不可避免地带有矫揉造作、用幻想谬误代替事实、用先验的方法构造科学成果的弊病。这些缺陷掩盖了其合理的思想，一度造成了科学和哲学的分离。物理学家赫姆霍兹在１８６２年曾回忆这种“分离”的状况时写道：　“近年来有人指责自然哲学，说它逐渐远离由共同的语文和历史研究联结起来的其他科学，而自辟蹊径。其实这种对抗很久以来就明朗化了，据我看来，这主要是在黑格尔派哲学的影响下发展起来的，至少是在黑格尔派哲学的衬托下，才更加明显起来。上一世纪末，康德哲学盛行的时候，这种分裂局面从未有所闻。相反地，康德哲学的基础，与物理科学的基础正复相同，……”　

赫姆霍兹接着分析了黑格尔的“同一性哲学”的假说，他说：根据这一假说，人的心灵，即使没有外界经验的引导，似乎也能够揣度造物者的思想，并通过它自己的内部的活动，重新发现这些思想，‘同一性哲学’就是从这一观点出发，用先验的方法构造其它科学的成果。”　

赫姆霍兹对此评论说：　

“本来自然界的事实才是检验的标准。我们敢说黑格尔的哲学正是在这一点上完全崩溃的。他的自然体系，至少在自然哲学家的眼里，乃是绝对的狂妄。和他同时代的有名的科学家，没有一个人拥护他的主张。因此，黑格尔自己觉得，在物理科学的领域里为他的哲学争得像他的哲学在其他领域中十分爽快地赢得的认可，是十分重要的。于是，他就异常猛烈而尖刻地对自然哲学家，特别是牛顿，大肆进行攻击，因为牛顿是物理研究的第一个和最伟大的代表。哲学家指责科学家眼界窄狭；科学家反唇相讥，说哲学家发疯了。其结果，科学家开始在某种程度上强调要在自己的工作中扫除一切哲学影响，其中有些科学家，包括最敏锐

的科学家，甚至对整个哲学都加以非难，不但说哲学无用，而且说哲学是有害的梦幻。这样一来，我们必须承认，不但黑格尔体系要使一切其他学术都服从自己的非分妄想遭到唾弃，而且，哲学的正当要求，即对于认识来源的批判和智力的功能的定义，也没有人加以注意了。”①　这种分离，对于科学和哲学来说，都是不幸的，当然也是不可能持久的。特别幸运的是，由于另一位哲学家的工作，德国的“自然哲学”依然发挥了它对当时科学思想发展的积极影响。　

２　谢林“自然哲学”的天才科学预见　

弗里德里希?谢林（Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ　Ｗｉｌｈｅｌｍ　Ｊｏｓｅｐｈ　Ｓｃｈｅｌｌｉｎｇ，１７７５—１８５４）在大学时期就系统进修了物理学、化学和医学，后来研究了数学和康德的自然哲学。１７９７年出版了他的《自然哲学观念》。１７９８年出版了《论世界灵魂》，１７９９年又完成了《自然哲学体系初步纲要》，并在大学里系统讲授自然哲学，他的自然哲学著作得到了歌德（Ｊ．Ｗ．Ｖｏｎ　Ｇｏｔｈｅ，１７４９—１８３２）和一些自然科学家的肯定，并深受大学生们的欢迎。　

青年哲学家谢林从伽伐尼、伏打、库仑的电学理论，李希滕伯（Ｇ．Ｆ．Ｌｉｃｈｔｅｎｂｅｒｇ，１７４２—１７９９）的化学理论和沃尔夫（Ｃ．Ｆ．Ｗｏｌｆｆ，１７３４—１７９４）、哈勒（Ａ．ｖｏｎ　Ｈａｌｌｅｒ，１７０８—１７７７）的生物学理论中汲取营养，充实和改造自己的哲学；他非常注意当时自然科学中关于各种过程的联系和转化的发现，并力图沿着泛神论的途径概括这些自然科学成就，揭示各种自然现象的统一性，用思维的方法描绘出一幅自然界发展的图画。他用“绝对的统一性”这种神秘的联系来代替自然与人之间的现实的联系，让自然与人都从这个神秘的本原中产生出来。他认识到发展是由矛盾推动的，矛盾是运动的源泉。他从阳电与阴电的发现得出结论说“原始的二元性”、对立力量的统一构成一切自然过程的观念、本质，说“贯穿在整个自然界里的正是一种普遍的二元对立，而我们在宇宙里发现的只不过是那一原始对立流传下来的一些后代，宇宙本身就存在于它们中间”。①“那个原始对立必须被假定为是从普遍的同一产生出来的”。②这样，整个自然界的发展过程就被归结为两种力量的矛盾不断解决又不断产生的过程，它由低级到高级地经历了质料、无机物和有机物三个主要阶段。“正是同一个普遍的二元对立，从磁的两极性开始，经过电的现象，变为化学的异质性，并最后在有机自然界表现出来”。③　

在最低级的质料阶段，谢林和康德一样，认为斥力是自然界的第一种基本力，引力是阻滞斥力的另一种基本力。但他不满足于康德单纯用力学解释天体起源的机械论观点，而把宇宙看作是具有精神活动的有机整体，存在于扩张与聚集的交替变化之中。对于无机物，谢林认为磁是正力与负力的统一，电是两种对立的力在不同物体上的分布，化学过程则是两种对立的力重新得到的统一，它通过氧化和脱氧而过渡到有机物。在这些带有臆测性质的论断里，包含了谢林关于磁、电和化学过程相互联系和相互转化的有价值的思想。实际上，在１７９９年出版的《自然哲学体系初步纲要》的“导言”里，他就明确提出：“磁的、电的、化学的、最后甚至有机的现象都会被编织成一个大综合体……它伸延到整个大自然”。“毫无疑问，只有一种力量以其各种不同的形式，出现在光、电等现象中”。①１８００年，在伏打电堆发明之后，他更进一步把流电看作

是无机界和有机界”两个自然的真正的边缘现象”。②　

谢林和他的追随者的“自然哲学”学说，在１９世纪前３０年内，在德国及其邻近地区的大学里占据支配的地位，对当时的科学思想产生了深刻的影响。虽然这种“自然哲学”是用理想的、幻想的联系来填补实际上的空白，但也说出了一些天才的思想，包含了一些有见识的、合理的东西，预测到了许多未来的发现。它所包含的一些谬见和空想，并不比当时经验主义的自然科学家的非哲学思考中包含得更多。这种哲学和自然科学家们的发现一起，一一否定了燃素、热质、光粒子、电流质、磁流质等种种“无重流质”，推动了关于种种自然现象之间联系的确立，推动了１９世纪物理学理论的重大综合和突破。　

实际上，在１９世纪初，创立符合于自然科学发展已达到的水平的新的、辩证的思维方法的任务，已经提出来了。但当时的唯物主义者都不可能完成这一任务，因为他们几乎毫无例外的都受到机械论和形而上学思想的严重束缚；而广大的自然科学家们尽管不断作出证实辩证法和驳倒形而上学的发现，但在思想上却沿袭了１７—１８世纪形成的形而上学思维方式，因而不仅不能正确理解他们所作出的发现的辩证意义，甚至还力图把这些发现硬塞到旧的形而上学的框架中去。因此，这个任务只好落到像康德、黑格尔和谢林这些具有自然演化观点、提出了辩证法的规律和范畴的德国古典哲学家们的身上。虽然他们的学说中的合理内核被掩盖在矫揉造作、扭曲颠倒的外衣之下，但１９世纪中叶前后自然科学和物理学上所取得的重大进展，正是循着这种反映了自然界的辩证性质的思想路线展开的。　

（杨仲耆、申先甲：《物理学思想史》）　附件４：　

迈尔，Ｊ．Ｒ．　

迈尔，Ｊ．Ｒ．（Ｊｕｌｉｕｓ　Ｒｏｂｅｒｔ　Ｍａｙｅｒ　１８１４～１８７８）德国物理学家，能量守恒定律的发现者之一，热力学与生物物理学的先驱。１８１４年１１月２５日生于符腾堡（今巴登－符腾堡）的海尔布隆，他的父亲是个药店主。１８３２年进蒂宾根大学医学系。１８３７年因参加一个秘密的学生团体而被停学一年，致使神经受到刺激。第二年复学后获得医学博士学位。　

１８４０年２月到１８４１年２月，迈尔作为船医远航到东印度，发现在热带地区海员的静脉血液比在欧洲时要更红一些。根据Ａ．Ｌ．拉瓦锡的燃烧理论，迈尔认为，在热带人的机体只需要吸收较少的热，从而机体中食物氧化过程减弱，静脉血液中留下了较多的氧，因此颜色较红。这使他联想到食物中化学能与热能的等效性。他听到海员们说海水在暴风雨时比较热，由此又联想到热与机械运动的等效性。　

１８４１年，迈尔回到海尔布隆，利用做医生的余暇研究自然力（即能量）的守恒与转化问题，写了《论热的量和质的测定》一篇论文，于这年６月１６日寄给由Ｊ．Ｃ．波根多夫主编的《物理学与化学杂志》。论文中迈尔根据Ｇ．Ｗ．Ｆ．ｖｏｎ　莱布尼兹“因等于果”的命题，认为力（即能）是自然界运动变化的原因，而因等于果，自然力在量上是不灭的，只是质发生变化。论文的思辨性较强，但用质量与速度的积来表示运动力（即