鄧明棋

對(duì)于初中生而言，英國(guó)物理學(xué)家焦耳（如圖1）算是“老熟人”了，從機(jī)械功到電功，從熱到能，這些物理量都是用“焦耳（J）”作為國(guó)際單位的。

焦耳1818年出生于英國(guó)的一個(gè)啤酒廠廠主家庭，從童年時(shí)代起，焦耳就在家里接受父母的啟蒙教育，后來(lái)父親把年近70的著名化學(xué)家道爾頓請(qǐng)到家中，給16歲的焦耳當(dāng)家庭教師，指導(dǎo)他學(xué)習(xí)初等數(shù)學(xué)、自然哲學(xué)和化學(xué)。從1837年開始，焦耳對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，隨后不斷在物理學(xué)方面取得了卓越成就。

19世紀(jì)中葉正值“永動(dòng)機(jī)”熱風(fēng)行整個(gè)歐洲，許多有才華的科學(xué)家都幻想能制造出“永動(dòng)機(jī)”（指不消耗能量，卻能永遠(yuǎn)做功的機(jī)器），焦耳也曾深陷此道，他通宵達(dá)旦地冥思苦想，設(shè)計(jì)方案，制作機(jī)件，但是沒有一次是成功的。為什么看來(lái)好像無(wú)懈可擊的設(shè)計(jì)，并不能讓機(jī)器“永動(dòng)”呢？焦耳意識(shí)到“永動(dòng)機(jī)”是不可能制成的，他認(rèn)定，“永動(dòng)機(jī)”不可能制成的背后，一定存在著一條自然的普遍規(guī)律。

1840年，焦耳發(fā)表了論文《論伏打電所產(chǎn)生的熱》，提出了他經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的一條定律：將通電的金屬絲放入水中，水會(huì)發(fā)熱，通過(guò)精密的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，通電導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量與電流強(qiáng)度的平方、導(dǎo)體的電阻和通電時(shí)間成正比，這就是著名的焦耳定律（Q=PRt），隨后，他又發(fā)現(xiàn)無(wú)論化學(xué)能、電能所產(chǎn)生的熱都相當(dāng)于做了一定的功，1845年，他帶上自己的實(shí)驗(yàn)儀器及報(bào)告參加在劍橋舉行的學(xué)術(shù)會(huì)議，他當(dāng)場(chǎng)做完實(shí)驗(yàn)并宣布：自然界的力（能）是不能毀滅的，哪里消耗了機(jī)械力（能），總得到相當(dāng)?shù)臒?，聽到這個(gè)結(jié)論，臺(tái)下那些赫赫有名的大科學(xué)家紛紛搖頭，連法拉第也說(shuō)：“這不太可能吧，”更有一個(gè)叫威廉，湯姆孫的教授非常不禮貌地當(dāng)場(chǎng)退出會(huì)場(chǎng)。

焦耳并沒有把人們的不理解放在心上，他回家繼續(xù)做著實(shí)驗(yàn)。兩年后，他帶著自己新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)又來(lái)到英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，焦耳一邊當(dāng)眾演示他的新實(shí)驗(yàn)，一邊解釋：“你們看，機(jī)械能是可以定量地轉(zhuǎn)化為熱的，反之，熱也可以轉(zhuǎn)化為功……”突然，臺(tái)下有人大叫道：“胡說(shuō)，熱是一種物質(zhì)，他與功毫無(wú)關(guān)系?！闭f(shuō)這話的人正是湯姆孫，焦耳非常冷靜地回答到：“熱不能做功，那蒸汽機(jī)的活塞為什么會(huì)動(dòng)？能量要是不守恒，‘永動(dòng)機(jī)為什么總也造不成？”焦耳平淡的幾句話頓時(shí)讓全場(chǎng)鴉雀無(wú)聲，臺(tái)下的教授們不由得認(rèn)真思考起來(lái)。

湯姆孫碰了釘子后，也開始思考起來(lái)，他開始做實(shí)驗(yàn)，找資料，終于發(fā)現(xiàn)的確是自己錯(cuò)了。于是，他帶上自己的實(shí)驗(yàn)成果去找焦耳，請(qǐng)焦耳共同探討這個(gè)發(fā)現(xiàn)，看著焦耳實(shí)驗(yàn)室里各種自制的儀器，他深深為焦耳的堅(jiān)韌不拔而感動(dòng)。他說(shuō)：“真的對(duì)不起，過(guò)去，我們這些人給了您多大的壓力呀，請(qǐng)您原諒，一個(gè)科學(xué)家在新觀點(diǎn)面前有時(shí)也會(huì)表現(xiàn)得很無(wú)知。”一切都變得光明了，兩人并肩而坐，開始研究起實(shí)驗(yàn)來(lái)。

1853年，兩人終于共同完成能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的精確表述：能量既不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而能的總量保持不變，能量守恒和轉(zhuǎn)化規(guī)律作為自然界的普遍規(guī)律，成為全部自然科學(xué)的基石。

焦耳是一位靠自學(xué)成才的科學(xué)家，曾被英國(guó)皇家學(xué)會(huì)授予科普利獎(jiǎng)?wù)?，后人為了紀(jì)念他，把能量（或功）的單位命名為“焦耳”。

責(zé)任編輯 程哲