科学蒙难集 1106-第12章

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意思，“量电池”可以提供　更多电量，“强度电池”可以提供更大的电力。如果他知道了欧姆定律，他就会发　现所谓“量电池”与单个电池没有根本区别，它们的电动势都是一样的，只不过前　者的内阻更小而已；同样，“强度电池”与单个电池的区别不在于它们的供电能力　的强弱，而在于它们的电动势不同。
　　黑格尔在1831年去世后，他的唯心主义思想对科学的束缚开始松弛了，欧姆本　人也觉得在精神上得到了解放。与此同果，高斯（K。F。Gauss，1777－1855）和　韦伯（W。Weber，1804－1891）在哥延根大学树立的科学风气，逐步向德国各地传　播开来，这就为接受欧姆定律创造了有利条件。截至1940年，已有不少实验家证明　了欧姆定律，并把它运用到自己的研究工作中去。不过，欧姆的声誉首先还是在英　国树起的。1841年，伦敦皇家学会（RSL）授与欧姆最高科学奖——科普勒奖章　（Copley　Medal）；1843年惠斯通（C。Wheatstone）在贝克利亚讲演中详细阐　述了欧姆定律，给与欧姆极高的评价。这样就引起了德国政府和科学界对欧姆的关　注。埃尔曼和多佛（H。W。Dove，1803－1879）等人竭尽全力地要把欧姆推荐到　德国物理学界的最高位置。1845年2月9日，海尔曼（Hermann）写信给巴伐利亚　科学院数理学部秘书长，建议选举欧姆为正式院士。经过这些热心的科学家的反复　努力，欧姆终于当选为巴伐利亚科学院院士；1849年11月23日，他被调到慕尼黑　主持科学院物理学术委员会的工作。并担任慕尼黑大学物理学教授，他的最高愿望　总算实现了。1852年10月1日，他又开始担任慕尼黑大学物理学讲座。两年后，他　在慕尼黑去世，终年65岁。
　　为了纪念欧姆在电学上的贡献，1881年在巴黎召开的第一届国际电气工程师会　议上，决定以“欧姆”命名电阻的实用单位。从此，欧姆成了举世公认的科学家。
　　从欧姆的遭遇所想到的
　　欧姆定律被推迟承认，除上述社会和思想方面的原因外，还有学术权威和传统　观念等方面的问题。一个人的成败，一个正确理论能否及时得到承认，在一定的时　候，取决于一些学术权威的态度。这些人在科学界大都影响很大，若他们对一个新　理论或新发现不能作出准确和公正的评价，则将产生极大的妨碍。鲍尔对欧姆理论　的态度很能说明这个问题。尽管欧姆定律最终还是被公认了，但这种形势来得太迟。　以致当欧姆进入慕尼黑大学主持物理学讲座时，他已经60岁了。如果欧姆早十年进　入了向往的地方，也许他会做出更大的贡献。实际上，自从欧姆定律发现后，欧姆　因得不到理想的工作条件而未能做出新的成绩。这种损失不论对于个人还是对于人　类，都是无法估量的。
　　其次，一个新的理论或新发现能否得到及时承认，与它诞生于什么样的国度有　很大的关系。试设想，如果欧姆定律产生于英国或法国的话，情况可能会好一些。　它或许会促使法拉第更早地发现电磁感应定律，并使它变成数学的形式（法拉第电　磁感应定律直到1845年才由德国物理学家诺埃曼总结成数学公式）；或许会使法国　物理学家安培（A。M。Ampere，1775－1836）创立的电动力学更赋有色彩。然而，　它恰恰诞生于物理学十分落后的德国。当时德国人还热衷于伽伐尼电的性质这样一　个古老的问题。由于这个问题，又提出了电的同一性问题。欧姆是用温差电池做实　验的，欧姆定律是否适用于其他电（如摩擦电、化学电、电磁感应电等）的情况，　尚待证明。直到1833年法拉第实验证明了电的同一性后，局面才好转起来。即便如　此，新问题还不时出现。例如，后来有人认为欧姆定律不能适用于电解质电路。　1868年，德国物理学家柯尔劳施（F。W。G。Kohlrausch）用交流电的方法克服　了电解质溶液使电极极化的现象，证明欧姆定律同样能用于电解质电路，这时德国　物理学界才算心悦诚服地接受了欧姆定律。历史表明，一个新定律被公认往往需要　付出很大的代价，在科学较为落后的国家，情况就更不例外了。
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　　第十一章　　“绝对的自然规律”
　　——发现能量守恒和转化定律的艰难历程
　　恩格斯称为“伟大的运动基本规律”——能量守恒和转化定律，是19世纪自然　科学的一块重要理论基石。同任何一个伟大科学发现一样，能量守恒和转化定律也　有一个潜在的孕育阶段，也经历了一番曲折和斗争的过程，而后才为人们所普遍承　认和接受。不过，像能时守恒和转化定律孕育时间的长久，发现者们蒙受精神压力　的巨大，则是科学发展史上极为典型的蒙难个例之一。回顾能量守恒和转化定律发　现的艰难历程，总结其中的经验教训，是一件十分益的事情，对于发展科学事业无　疑会起到积极作用。
　　漫长的孕育过程
　　能量守恒和转化定律的成熟程度是与其酝酿的广度和深度直接相关联的。能量　守恒和转化定律思想的广阔而又艰苦卓绝的孕育史，是人类对自然界科学图景认识　史上的一个非常富有意义的个例。
　　火，至少在四五十万年前就已被我们的祖先利用了。从使用和“养活”天然火，　到学会人工磨擦取火，这是原始人技术发明的一件大事。磨擦取火，这是把机械运　动（动能）转化为热的过程。尽管原始人尚未认识到这一理论问题，但是他们的伟　大实践过程恰恰直接孕育着能量转化的思想。机械运动转化为热，这是自然过程的　一个方面；另一方面，热也转化为机械运动，这才是自然过程的辩证法。然而，历　史有它自己的步伐，不管其进程归根到底是多么辩证的，辩证法还是要等待历史很　久。
　　在磨擦取火之后的一段漫长的岁月里，人类学会了利用畜力、风力和水力来运　转机械，驱动车船，但是这些只不过是一个将机械能中的势能与动能相互转化的过　程而已，尚未冲现机械运动的认识界限。只是到了发明蒸汽机之后，才真正完成了　热与机械运动相互转化的辩证过程。正如恩格斯在19世纪70年代所指出的：“到目　前为止的全部历史，可以称为从实球发现机械运动转化为热到发现热转化为机械运　动这么一段时间的历史”。
　　在蒸汽机发明之前，尽管人类的认识还只停留在机械运动范围内，尚未接触到　机械运动以外的各种运动表式的研究，并不了解它们之间相互转化的问题，可是，　以机械运动为研究对象的力学，就已经有了能量守恒这一观念。
　　近代力学奠基人伽种略在进行落体运动的实验时，发现物体在下落过程中所达　到的速度能够使它跳回到原来的高度，但是不会更高。这就已经接近机械能过恒这　一观念。然而，当时并没有提出“能量”、“机械能”这类概念。伽利略却用“动　量”这一概念来表述，把它定义为速度与重量的乘积，以此作为物体运动的量度。
　　后来，惠更斯和牛顿在接受伽利略“动量”这一概念时，把它定义为速度与质　量的乘积。莱布尼兹则以“活力”来作为运动的量度，把“活力”定义为质量和速　度的平方的乘积，并认为宇宙间的“活力”的总和是守恒的。显然，活力守恒的表　述方式也接近了机械能守恒的思想。
　　1807年，英国物理学家托马斯。扬创造了“能”这个概念来表示活力。后来的　能量守恒和转化定律就是建立在这个“能”的科学概念基础上的。不过，托马斯。　扬当时并没有把机械能守恒的思想推广成为能量守恒和转化的普遍规律，因为当时　人们对于机械运动以外的各种运动形式之间的转化问题。人们的认识水平总是与一　定的历史状况相一致的。
　　随着人类实践活动的深入，特别是由于科学实验的蓬勃发展，在19世纪的前三　十多年中，人们把认识领域从机械运动扩展到电磁运动、热和化学运动方面来，从　而有了一系列关于电能与机械能、热能、化学能相互转化的实验结果，这就为能量　守恒和转化定律的发现提供了充分的根据。
　　18世纪末，意大利人伏打发明了电池，实现了化学能向电能的转化。接着，人　们就利用伏打电流，进行水和硫酸铜溶液的电解，发现了电的化学效应，实现了电　能向化学能的转化。19世纪20年代初，人们发现了温差电偶和电流通过导线生热的　现象，实现了电能和热能的相互转化。1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电的磁　效应，实现了电能向机械能的转化。1831年，英国物理学家法拉第发现了感应电流，　实现了机械能向电能的转化。所有这一切都为能量守恒和转化定律的发现提供了不　可缺少的实验基础。哲学史上关于运动守恒原理的观念，对于能量守恒和转化定律　的发现起了巨大的启示和促进作用。17世纪，唯量论哲学家笛卡儿通过自己的力学　研究，提出了“宇宙中运动的量是永远不变的”这一哲学命题，就清晰地阐明了运　动既不能创造也不能消灭的思想。这是在自然科学领域里发现能量守恒和转化定律　整整200年前就已经明确得出了的哲学结论。失败，这是人类认识史上不可避免的　环节，具有不可贬斥的地位。失败乃成功之母。千百种形形色色永动机的失败，显　示了自然力和物质运动不可能无中生有地创造出来，因而从反面为能量守恒和转化　定律的发现作了要的思想准备。1775年，法国科学院作出决议，认为制造永动机是　不可能的，声明不再接受任何有关永动机的设计方案。尽管19世纪30年代以前，人　类漫长的实践史为能量守恒和转化定律的发现作了各方面的准备，可是能量守恒和　转化定律仍没有正式提出来，它还需要掐脱各种束缚，方能问世。
　　必要的诞生条件
　　能量守恒和转化定律的诞生，在有了其他种种准备之后，还必须清除一个理论　障碍——热素说，并从现实社会实践提出的重要课题中汲取力量。
　　热素说是18世纪广为流行解释热的本质的一种错误理论。它认为，热是一种没　有重量、可以在物体中自由流动的物质。热素说既然把热看作是一种物质，那就不　可能存在着热和机械运动的转化。磨擦所以生热，只是由于磨擦把热素逼出来，使　磨擦后的物体的比热比磨擦前小，所以温度升高，而热素的量并没有增加。
　　给热素说以沉重打击的是美国物理学家伦福德（Rumford，1753－1714）和英　国化学家戴维（Davy，1778－1829）的工作。1789年，伦福德在慕尼黑兵工厂监　造大炮时，发现钻炮膛所有的钻头越钝，钻削的碎屑越少，所产生的热量却越多。　这与热素说认为碎屑越少，金属释放的热素就越少的说法恰好相反。为了证明钻削　时产生的热不是来源于热素的解释，伦福德把炮筒放在水槽里，用一支钝得几乎不　能削出碎屑的钻头钻孔。几匹马拉着钻具钻了约两个半小时，槽内约18磅水竟然沸　腾起来。没有任何东西供给热素，竟然源源不断地产生热。这些热是从哪里来的呢？　实验说明“热只能来源于钻头的运动，1799年，戴维又做了冰磨擦实验。他用两块　冰在真空中磨擦，并使整个仪器都保持在0℃。几分钟后，冰融化成水，但冰吸收的　热是从哪里来的呢？唯一的可能是由机械运动转化而来。伦福德和戴维的实验，打　破了热素说的缺口，从而为能量守恒和转化定律的发现扫除了思想障碍。
　　能量守恒和转化定律的发现，直接导源于现实社会实践的需要。19世纪30年代　前后，蒸汽机生产的实践提出了如何提高蒸汽机的效率这一重大课题，从而为能时　守恒和转化定律的发现提供了最坚实的实践基础。恩格斯指出：“社会一旦有技术　上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进”。于是，在19世纪30　年代和40年代的十多年里，几乎同时在五个不同的国家里由六七个不同的行业的十　几个专家和非专家，在几个不同的科学领域中以不同的形式各自独立地提出了能时　守恒和转化定律，从而显示出这个定律是一个具有根本重要性的普遍的自然规律。
　　第一个在这方面作出重大贡献的，是法国青年军官和工程师萨迪。卡诺（S。　Carnot，1796－1832）。他十分熟悉蒸汽机的设计，又有较好的数理训练，于　1824年发表了《关于火的动力以及产生这种动力的机器的研究》一文，分析蒸汽机　中决定热产生机能能的各种因素，得出结论：热机必须工作于两个热源之间，热从　高温热源转移到低温热源时才能做功，热机做功的数值与工作物质无关，仅仅决定　于两个热源之间的温度差。卡诺的这一原理以后就成为热力学第二定律的基础。但　是，由于他相信热素说，因而看不到热能和机械能之间的转化以及两者总和的守恒　关系，传统观念挡住了他作出科学发现的道路。然而，当他放弃了热素说之后，于　1830年，他在笔记本中便明确地提出了热的分子运动论和能量守恒与转化定律，得　出热的机械当量为370千克米／千卡（今天准确数值为427千克米／千卡）。可惜，　卡诺夭亡后，他的遗稿，因其弟无知而被长期弃置。直至1878年才公布于世。这时，　人们早已公认能量在转化中守恒这一定律。卡诺的发现之所以对历史的进程没有发　现什么直接影响。显然由于当时人们科学认识水平的局限性被埋没了。然而，卡诺　的发现本身毕竟表明，能量守恒和转化定律发现的客观时机已经成熟了。
　　继卡诺之后，德国生理学家莫尔在1837年发表了《论热的本质》一文，表述了　类似的思想。1839年，法国工业革命家和铁路建设的先驱者M。塞贯，在他的论述　铁路工程的重要著作——《论铁路的影响》一书中，计算出了热的机械当量。1840　年，瑞士化学家赫斯提出热化学定律，指出化学反应中所释放的热量是一个同中间　过程无关的恒量。可惜，这些人的著作，有的长期得不到发表的机会，有的即使发　表了，却没有引起人们的注意。这些科学发现，“蒙难”的本身，既说明人们缺乏　识别新发现重大意义的能力，又说明社会实践的需要铖如化学反应中催化剂那样，　加快已孕育了漫长历史时斯的有关能量守恒和转化思想的正式问世。山雨欲来风满　楼。能量守恒和转化定律发现的历史条件成熟了。先驱者们的工作虽然没有正式构　成能量守恒和转化定律的内容，然而，他们的潜在发现在人类的科学认识史上具有　不可忽视的意义。先驱者们的努力终于使孕育成熟的能量守恒和转化定律在1842年　正式诞生了。这一年，人们同时从不同的途径来了一个大突破。
　　巧妙的殊途同归
　　1842年，恩格斯曾经把它称为自然科学发展史上“划时代的一年”。因为　　在　这一年，有三个不同种工作的人几乎同时证明了机械能、热能、光能、磁能和化学　能等在一定条件下可以相互转化，然而却不发生任何消耗，并且确定了热的机械当　量。正是这些工作标志着能量守恒和转化定律正式问世。与此同时，发现者们却蒙　受了巨大的精神创伤。尽管如此，他们仍然胸怀坦荡，一往无前，充分表现了科学　家们探索真理的崇高献身精神。
　　德国26岁的青年医生迈尔（J。R。Mayer，1814－1878）于1840年随船从