科学蒙难集 1106-第13章
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德国26岁的青年医生迈尔（J。R。Mayer，1814－1878）于1840年随船从荷 兰驶往东印度。当远洋轮航至热带海域时，船医迈尔发现海员患病者静脉血液比在 欧洲时红亮。迈尔受拉瓦锡的氧化燃烧理论的启示，认为这是由于血液含氧较多的 缘故。因为在热带高温条件下，人的机体只需要从食物中吸收较少的热量就足够了， 所以人体中食物的氧化过程减弱了，静脉血里留下的氧就比较多。由此，迈尔联想 到人体内的食物所含的化学能就像机械能一样，可以转化为热能。回国后，迈尔继 续进行研究。他进一步发展了伦福德的思想，在一家纸厂设计了一个实验，大锅里 的纸浆用机械搅拌，靠绕着圈子的马作为动力。他测出纸浆温度的升高，就可得到 马做了一定量的机械功所产生的热量的数据。迈尔还从空气的定压比热Cp和定容比 热Cu的关系计算出一卡热相当于365克。米，即3。58焦耳（现在精确有数值是 4。184焦耳）。1842年，迈尔写成了他的第一篇关于能量守恒和转化定律论文： 《论无机自然界的力》。论文发往当时德国主要物理学年鉴杂志，结果被主编波根 多夫拒绝发表而退了回来。虽化学家李比希主编的化学年鉴杂志1842年5月号上发 表了迈尔的论文，但并未引起人们的注意。而1845年的迈尔的第二篇论文，则是 以自己的经费才得以发表的。
在科学的征途上，迎接科学家的往往并不是什么鸟语花香，而可能是苛薄的冷 嘲热讽。作为第一个发表了能量守恒和转化定律的迈尔，一次在海德尔堡遇见了约 利，约利嘲讽迈尔说，如果你的理论是正确的话，水能够被晃动而加热。仓促发难， 迈尔连一句话也没回答便走了。几周之后，迈尔回到了约利那里坚定地回答说，正 是那样，正是那样！学术界偏见的打击使迈尔的精神受到严重刺激。1849年5月28 日，迈尔从二层楼窗口跳下自杀未遂。大致恢复健康以后，他又写了一篇关于热的 机械当量的论文。1851年，他被关进精神病院，受到残酷折磨。1853年恢复自由， 可是精神却从此再未恢复正常，以致在痛苦中度过了二十多年的余生。
到了1858年，只有少数几个人肯定迈尔的能量守恒和转化定律。其中丁铎尔给 予了公正的历史评价，并于1862年在英国皇家学会上作了关于迈尔工作的讲演，还 翻译了迈尔的几篇论文。物理学家威廉。汤姆逊等人却对迈尔的工作评价很底，并 且责怪丁铎尔高估了德国的迈尔而低估了英国的焦耳。
焦耳（J。P。Joule，1818－1889）是英国的业余物理学家，是最先用科学实 验确立能量守恒和转化定律的人。和偏爱理论思维的德国人不同，焦耳具有英国人 重视实验的传统。他先后用了四十多年时间，进行了大量实验。1840年，22岁的焦 耳首先测定了电流的热效应，发现一定时间内电流通过导线所产生的热量，同导线 的电阻和电流强度平方乘积成正比。这就是著名的焦耳定律。焦耳根据这一实验设 想电能因阻力而转化为热能了。这些思想集中体现在他的第一篇论文：论伏打电池 产生的热》。1843年，焦耳又做了一个实验，他把盛有水的容器放进磁场中，然后 让一个线圈在水中旋转，测量运动线圈中感生电流产生的热和维持运动所消耗的能 量。实验说明消耗的能和产生的热能与电流的平方成正比。因此，产生的热和用来 产生的机械动力之间存在恒定的比例。焦耳把这一实验结果写在他的第二篇论文： 论电磁的热量效应和热的机械值》。
焦耳的研究并没有立刻引起人们的注意。英国皇家学会拒绝发表他的两篇论文。 因为在皇家学会看来，作为酿酒商的年轻焦耳的发现不可能有多大学术价值。在朋 友们劝告下，焦耳申请自然哲学教授的候选人，但因他的容貌缺陷而未获准。焦耳 继续当一个酿酒商，并继续他的科学研究。1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次 通俗的学术讲演，介绍了他测定热的机械当量的新实验，即用铜制翼轮来搅动水， 使水温升高，而转动翼轮的动力用砝码下落来提供。地方报纸起初不予理睬，有一 家报纸甚至拒绝报导这件事。经过很长时间的争论，《曼彻斯特信使报》才全文发 表了焦耳的演说。在1847年6月，这个论题又提呈到牛津会议上，大会主席建议只 由焦耳作简要报告，而无须进行讨论。当会议丝毫不考虑焦耳新思想而要立即转入 其他议程的时候，年轻的威廉。汤姆逊站起来发言，从而引起了人们对这个理论的 新兴趣。结果，焦耳的能量守恒和转化定律的思想引起了很大的轰动，焦耳本人才 成为科学界注意的人物。
1849年，焦耳在他的《热的机械当量》论文中宣布了他的新实验结果：要产生 能使1磅水（在真空中称量，温度在55°F－60°F之间）提高1°F的热量，需要花 费相当于772磅重物下降1英尺所作的机械功。此值相当于4。157焦耳／卡，很接近 现在的4。184的数值。为了系统地测量各种能量形式转化的当量关系，以最精确的 实验来证实能时守恒的论断，焦耳从40年代开始，做了四百多次实验，直到1878年 获得最后的数据。这时，一个二十多岁的年轻小伙子，已变成六十多岁的白发老头 子了。
1847年，当焦耳在英国报告他的能量守恒和转化定律时，26岁的德国物理学家 赫尔姆霍茨（Helmholtz，1821－1894）在柏林物理学会上宣读了他从研究动物热 的途径中发现了能量守恒和转化定律的论文：《活力的守恒》。这篇论文被权威们 看成是异想天开的思辨，波根多夫主编的物理学年鉴杂志同样拒绝发表它。赫尔姆 霍茨在这种情况下，不得不掏腰包自费印刷，1847年以小册子的表式散发，仍然很 不受重视。1853年，它受到物理学家克劳胥斯的强烈抨击。后来，杜林等还对赫尔 姆霍茨进行了人身攻击，辱骂他的发现是不诚实的，是从迈尔那里剽窃来的。其实， 迈尔、焦耳和赫尔姆霍茨都各自独立地发现了能量守恒和转化定律。然而后来，焦 耳和赫尔姆霍茨却都愉快地承认了迈尔的优先权。
几乎与迈尔、焦耳和赫尔姆霍茨的发现同时，英国业余科学家、律师格罗夫从 对电的研究，也达到了能量守恒和转化定律的发现；丹麦物理学家、工程师柯尔丁 通过磨擦实验，测定了热功当量。1853年，威廉。汤姆逊（W。Thmson，1824 －1907）对能量守恒和转化的思想作了精确的表述：当一个物质系统从某个给定的 状态，无论以任何方式过渡到一个固定的零点时，它在系统外所产生的用机械功来 量度的各种作用的总和，就是该系统在这一定状态所具有的能量。能量就是表征物 质系统状态的函数。
恩格斯从辩证唯物主义的高度对能量守恒和转化定律加以概括和总结，指出： “运动的不灭不能仅仅从数量上去把握，而且还必须从质量上去理解”。所谓量的 方面，指的是物质的运动既不能创造，也不能消灭，只能转化，并且在转化中有严 格的当量关系；所谓质的方面，指的是物质运动形式是多种多样的，这些运动形式 的相互转化的能力是永远不会丧失的，而这种转化的条件是物质运动本身所具有的， 这样，能量守恒和转化定律便成了一条普遍规律，正如恩格斯所指出：“任何运动 形式都证明自己能够而且不得不转变为其他任何运动形式。到了这种形式，规律便 获得了自己的最后的表达。由于有了新的发现，我们可以给它提供新的证据，提供 新的更丰富的内容。但是，对于如此表述的规律本身，我们是不能再增加什么了。 在普遍性方面——其中形式和内容都同样普遍——这个规律是不可能再扩大了：它 是绝对的自然规律。
发现过程的启示
大凡一门科发现，都经历潜在的孕育阶段和成熟问世阶段。能量守恒和转化定 律当然也不例外。
作为潜在孕育阶段的能量守恒和转化定律，经历了一个相当漫长的时期，体现 了历史的和逻辑的统一性。伴随着人类最初磨擦取火，经过蒸汽机的发明，到各种 运动形式之间转化的历史行程，人类在逻辑认识上也从“磨擦是热的一个源泉”， 经过“一切机械运动都能借磨擦转化为热”，到“在每一情况的特定条件下，任何 一种运动形式都能够而且不得不直接或间接地转变为其他任何运动形式”。经过这 三种个别性、特殊性和普遍性的判断之后，能量守恒和转化定律才获得了自己的最 后的表达。
能量守恒和转化定律以普遍性的判断作为自己最后的理论表达形式，是离不开 先前在经验基础上的个别性和特殊性判断的。换言之，理论离不开经验；成熟的科 学发现不能没有探索过程；显科学是以潜科学为基础的。正如门捷列夫所说：“科 学的威力和力量在于无数的事实中；而科学的目的在于概括这些事实，并把它们提 高到原理的高度。这些原理发源于我们智力活动的简单基础；但它们在同等程度上， 也起源于实验的世界和观察的领域。……搜集事实和假设还不是科学，它仅只是科 学的初阶，但不通过这个初阶，就无法直接进入科学的殿堂。在这些初阶上写着 ”观察、假设和实验“。事实上，我们从能量守恒和转化定律发现的过程中，更为 清楚地认识到潜科学对于显科学的重要性。
科学就是探索未知。科学探索活动就是潜科学活动。从认识论上讲，它要从现 象到本质，从一级本质到二级本质，再到更深层次的本质。因此，潜科学活动是遵 循辩证唯物论的认识路线的。同时，潜科学活动又是一种社会现象，受到各种因素 的影响。正确的、积极的因素促进潜科学事业的发展；而错误的、消极的因素则窒 息潜科学事业的成长。从这种意义上来说，潜科学活动决不是一帆风顺的，它的道 路是曲折的。能量守恒和转化定律问世时所遇到的种种阻力就是明证。真理是不可 抗拒的。科学探索者们前赴后继，终于取得了能量守恒和转化定律的最后表达形式， 成为人类认识自然的伟绩丰碑，而载入科学史册。
正如婴儿坠地的第一声啼哭决不是一首好诗一样，能量守恒和转化定律的最初 问世难免带有不完善之处。波根多夫主编的杂志拒绝发表迈尔的论文，原因之一是 论文里没有实验工作。实际上，迈尔论文中的能量守恒和转化的思想正是在观察和 实验的基础上提出来的。对新发现吹毛求疵而不看其本质，缺乏扶植科学幼苗的热 情，很容易导致科学发现蒙受灾难。这里，既有学术水平问题，又有道德修养问题。 因此，评定科学成果时必须实事求是，抛弃妒贤忌能和学阀的作风。
对于科学发现者本人来说，应当学会在艰苦复杂的外因环境中奋斗进取。迈尔 遭受精神摧残是令人同情的，但是采取自杀行为是不足取的。因此，科学技术工作 者在探索的实践中既要加强学术修养，又要加强意志力和思想品质方面的修养。只 有这样才能真正为科学技术事业做出贡献。
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第十二章 上帝会不会掷骰子
——量子力学创立和发展的曲折道路
开拓量子力学的先驱普朗克在经历了15年的徘徊，险些放弃他的量子假说。后 来，他的继承者们在推进最子假说创立和发展量子力学中，却又遭到种种磨难。量 子理论的成长道路，竟如此坎坷曲折。
对爱因斯坦和玻尔的非难
正当普朗克犹豫徘徊的年代，有两位尚未出名的年轻科学家，先后从不同的方 面应用并发展了量子假说。然而，他们都遭到了非难。这两位青年科学家就是爱因 斯坦和玻尔。
爱因斯坦（A。Einstein，1879－1955）遭到的非难是带有“戏剧性”的。当 爱因斯坦在1905年推广普朗克量子概念，提出光量子假说并用以解释光电效应时， 竟遭到普朗克本人的指责。他大声疾呼，爱因斯坦“失足”于量子论，背离经典物 理学“走得太远了”。
玻尔（Niels Bohr，1885－1962）受到的非难是苛刻的。1913年秋，玻尔的 论文《论原子和分子的结构》在英国的《哲学杂志》上全文发表了。在这篇论文中， 玻尔把普朗克量子假说用于原子结构，提出了量子化轨道理论，用量子跃迁假说解 释原子光变更的发射和吸收。玻尔的这一理论立即引起物理学界的“震惊”。一些 物理学家认为这是对经典物理学的“亵渎和疯狂”。当年，在伯明翰召开的不列颠 科学促进会会议上，物理学界的“泰斗”们集中玻尔理论的半经典半量子的混合， 直接质问玻尔，并进行了多方责难。当时，拉摩尔（S。J。Larmor，1857－1942） 要求大名鼎鼎的物理学家瑞利（J。W。S。Rayleigh，1842－1919）对玻尔的理论 发表意见。瑞利却抱着一种“超然”态度，未加可否。事后，他的儿子问他是否看 过玻尔关于氢光谱的论文，他曾直捷了当地回答说，我虽然看过，但“它不合我的 脾胃”。会上，汤姆逊（J。J。Thomson，1856－1940）明确表示怀疑，光谱学 权威塞曼（P。Zeeman，1865－1943）则根本否定。虽然著名物理学家金斯（J。H。 Jeans，1877－1946）支持玻尔的理论，但仍然没有消除人们的怀疑和反对。
当然，这种怀疑和反对与玻尔学说本身的弱点是相联系的。玻尔的理论最初曾 非常成功地解释了氢和电离氮的线状光谱，但对原子光谱之表细结构及重原子的复 杂结构，则无法解释。然而玻尔并没有因此而止步。他对整个理论在新的基础上进 行了改造。量子论正是通过他而实现了从旧阶段到新阶段的过渡。而且，玻尔将毕 生精力贡献量子理论，成为左右量子力学发展的哥本哈根学派的公认领袖。正如苏 联理论物理学家福克在一首自由体诗中对玻尔所赞颂的那样：
“您的丰功伟绩无穷无尽， 谁也无法诋毁， 是您宣布了这一伟大理论， 我们绝不允许他人诽谤捣鬼”
物质波理论遭受的冷遇
把量子论推向新阶段的大胆创新者之一，是法国年青科学家德布洛意（L。V。 de Broglie）。他20岁那年，恰好是玻尔的量子论遭到责难的那年。在爱因斯坦和 玻尔量子论的启示下，他毅然选择了荆棘丛生、壁垒顽固的辐射现象这一研究领域。 后经十余年的研究，在分析光学理论发展状况的基础上，提出了自然界是对称的思 想。他还根据实物粒子和光都具有质量和能量的共同特征，采用了类比方法，大胆 假定实物粒子与光子具有同样属性，并进而由粒子的波动性和波动的粒子性，确定 了波粒二象性。这样，就把表面上分离的实物和光的粒子性与波动性统一起来，提 出了物质波假说，建立了体现波粒二象性的公式即德布洛意公式。
德布洛意有关物质波理论的三篇论文，于1923年9－10月份，先后发表在法国 的《导报》期刊上。而更完善地阐述他的理论观点是在1924年所作的博士论文中。 该文后来发表在1925年的《物理学年鉴》上。德布洛意的理论，在他之前没有任何 直接实验证据的支持，这使得他的理论注定要经历艰难。正是在实验上德布洛意理 论首先受到了阻难。他在写博士论文时要求对其物质波理论进行实验，但无人支持
