英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule，1818年12月24日 ─ 1889年10月11日）的名字家喻戶(hù)曉。焦耳（Joule）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中熱和功的單位，但許多人對(duì)焦耳本人的經(jīng)歷所知不多。事實(shí)上，這位物理學(xué)巨匠是一位沒(méi)有學(xué)歷和文憑的“民間科學(xué)家”。

James Prescott Joule

　　本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“集智俱樂(lè)部”

　　撰文 陳關(guān)榮（香港城市大學(xué)電機(jī)工程系講座教授，混沌與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究中心主任）

　　1818 年圣誕節(jié)前夜，焦耳出生在英國(guó)曼徹斯特城郊的 Salford，5 歲時(shí)被發(fā)現(xiàn)脊椎側(cè)彎，隨后幾年多次在醫(yī)院進(jìn)行矯正，但最終以失敗而放棄，讓他終生不能筆直站立。

　　焦耳在小學(xué)讀書(shū)時(shí)因身體缺陷常被同學(xué)嘲笑，并因喜歡在課本上涂鴉屢被老師批評(píng)。父親無(wú)奈，只好讓焦耳休學(xué)，留在家里由阿姨管教，直到他 15 歲為止。平時(shí)，焦耳喜歡躺在床上看書(shū)。有一次，焦耳對(duì)父親說(shuō)：“書(shū)本是我最好的旅游去處。”這讓父親想起了被稱(chēng)為“旅游教師”的約翰·道爾頓（John Dalton，1766-1844）。道爾頓經(jīng)常上課時(shí)帶學(xué)生們?nèi)ソ加危谝巴庵笇?dǎo)學(xué)生觀察、試驗(yàn)、計(jì)算和討論。父親把焦耳送進(jìn)了道爾頓主辦的私校就讀，并請(qǐng)道爾頓當(dāng)他的監(jiān)護(hù)人。

　　在學(xué)校里，道爾頓主要講授初等物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)。他本人后來(lái)成為著名的物理學(xué)家和化學(xué)家，56 歲時(shí)成為皇家學(xué)會(huì)院士，因?yàn)榈谝粋€(gè)提出“物質(zhì)由原子組成”的學(xué)說(shuō)而聞名于世，今天原子量的單位便以他命名。

　　在道爾頓的指導(dǎo)和影響之下，焦耳逐漸走上了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的道路。那時(shí)候?qū)W校沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室，他自己在家中的地窖里做實(shí)驗(yàn)。他早期的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)基于電學(xué)。他在地窖里放滿電池、電磁鐵、馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和檢流計(jì)，其中大部分是自己動(dòng)手制造的。也許是由于少年失學(xué)的緣故，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)比讀書(shū)對(duì)他來(lái)說(shuō)更具吸引力。焦耳最終沒(méi)有完成任何正式的學(xué)歷，更談不上取得什么學(xué)位。

　　被拒稿多次的焦耳定律

　　“熱”是什么呢？這曾經(jīng)是個(gè)千古難題。十八世紀(jì)末，雖然工程師詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）制造了工業(yè)用蒸汽機(jī)，但是人們對(duì)其中的熱能傳遞和轉(zhuǎn)換機(jī)理并不清楚。當(dāng)年，為了解釋熱的物理本質(zhì)，“熱質(zhì)”理論（caloric theory）非常流行，包括被稱(chēng)為“熱力學(xué)之父”的法國(guó)物理學(xué)家薩迪·卡諾（Nicolas L。 Sadi Carnot，1796-1832），都說(shuō)熱是一種沒(méi)有質(zhì)量的氣體，物體吸收熱質(zhì)后溫度就會(huì)升高，而且熱質(zhì)可以穿過(guò)固體或液體的孔隙從高溫處流到低溫處。

　　受到道爾頓“原子論”的啟發(fā)，焦耳傾向于認(rèn)為熱是原子的運(yùn)動(dòng)，熱傳導(dǎo)就是原子運(yùn)動(dòng)的“能量”從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上去。但這想法需要有極為精確的實(shí)驗(yàn)加以證明。焦耳一系列的實(shí)驗(yàn)擔(dān)負(fù)起了這一艱難的重任。

　　1838 年，焦耳 20 歲的時(shí)候設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將一個(gè)小線圈繞在鐵芯上，用電流計(jì)測(cè)量感生電流，然后把線圈放入容器內(nèi)的水中，再測(cè)量出水溫，最后計(jì)算出熱量。因?yàn)闆](méi)有外界電源供電，水溫的升高只能是電能轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果。這樣產(chǎn)生出來(lái)的熱，后人稱(chēng)為“焦耳熱”。同年，焦耳在《電學(xué)年鑒》（Annals of Electricity）上發(fā)表了他第一篇學(xué)術(shù)論文“On electro-magnetic forces”，宣稱(chēng)“我的目標(biāo)是，首先發(fā)現(xiàn)正確的原理，然后指出它們?cè)趹?yīng)用上的發(fā)展”，并報(bào)告了他發(fā)現(xiàn)電流可以做功的現(xiàn)象。

　　1840 年，22 歲的焦耳在愛(ài)爾蘭 Cork 市召開(kāi)的英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)的會(huì)議上報(bào)告了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但在座的科學(xué)家們毫無(wú)興趣。當(dāng)時(shí)很多人對(duì)這全新發(fā)現(xiàn)的來(lái)龍去脈一無(wú)所知，還有一些人對(duì)焦耳的測(cè)量精確性存有懷疑，更有一個(gè)可能的原因是他們對(duì)這位沒(méi)有學(xué)歷的業(yè)余科學(xué)家并無(wú)太大的信心。

　　同年，焦耳把實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)成論文“On the Production of Heat by Voltaic Electricity”，詳細(xì)描述了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，投到《皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》（Philosophical Transactions of the Royal Society），但被退稿。于是他改投到《皇家學(xué)會(huì)會(huì)訊》（Royal Society Proceedings），再遭拒絕。最后，焦耳把稿件投去《哲學(xué)雜志》（Philosophical Magazine）。這次，雜志同意審稿了。可是，審稿人要求他多做很多實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其結(jié)果的正確性。年少氣盛的焦耳不高興了，反過(guò)來(lái)拒絕了雜志。他回信說(shuō)：“任何的機(jī)械能量釋出，最后都將轉(zhuǎn)換為熱量。能量不滅的法則獲得上帝的許可證。這是大自然最重要的法則之一。”這其實(shí)是科學(xué)史上著名的“能量守恒定律”（Principle of Conservation of Energy）的第一次吶喊。結(jié)果不言而喻，焦耳又被退稿了。

　　焦耳據(jù)理力爭(zhēng)。終于，在次年的《哲學(xué)雜志》上發(fā)表了這篇論文，報(bào)告了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：“電流在導(dǎo)線中所產(chǎn)生的熱量，等于電阻乘以電流的平方”，這就是后來(lái)著名的“焦耳定律”（Joule‘s Law）。四年后，俄國(guó)物理學(xué)家海因里希·楞次（Heinrich F。 E。 Lenz，1804-1865）發(fā)表了獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從旁證實(shí)了焦耳的這個(gè)電熱效應(yīng)。該定律后來(lái)也稱(chēng)為“焦耳-楞次定律”。

　　風(fēng)云人物

　　那些年，沒(méi)有學(xué)位的焦耳四處碰壁，很不得意。不知什么緣故讓他鼓起勇氣，將自己的研究報(bào)告寄給了學(xué)術(shù)泰斗邁克·法拉第（Michael Faraday， 1791-1867）[1]。1843 年 3 月 24 日，慧眼識(shí)真金的法拉第回信了，高度地評(píng)價(jià)了焦耳的工作：“。。。我知道在這領(lǐng)域里仍有許多朦朧不清之處，但你的文章卻如曙光破曉。我不得不說(shuō)，你在自然科學(xué)的這個(gè)領(lǐng)域做出了非常重要的貢獻(xiàn)。”

　　于是，焦耳關(guān)于能量轉(zhuǎn)換和守恒的研究論文被《皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》接收發(fā)表。科學(xué)界從此知道，圈子里來(lái)了一位二十多歲的新星，他建立了熱力學(xué)第一定律也就是能量守恒定律，證明了電和熱之間的能量轉(zhuǎn)化滿足總量守恒關(guān)系，那是自然界中的一個(gè)普適的基本規(guī)律。

　　接下來(lái)，焦耳還試圖弄清楚機(jī)械能和熱的定量關(guān)系。1842 年，德國(guó)醫(yī)生、化學(xué)家和物理學(xué)家羅伯特·馮·邁耶（Julius Robert von Mayer，1814-1878）在《化學(xué)與藥學(xué)年鑒》（Annalen der Chemie und Pharmacie）發(fā)表了一篇論文，指出單位機(jī)械功所產(chǎn)生的熱量是一個(gè)常數(shù)，不過(guò)他沒(méi)能給出這個(gè)常數(shù)的數(shù)值。1843 年，焦耳在不知道上述德文文章的情形下，在家中的地窖里獨(dú)立地做了一個(gè)成功的壓縮氣體加熱的實(shí)驗(yàn)，以及一個(gè)十分精確的機(jī)械運(yùn)動(dòng)生成熱的實(shí)驗(yàn)。

　　在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他讓鋼錘自由落下，驅(qū)動(dòng)中間的轉(zhuǎn)軸從而帶動(dòng)容器水中的旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。他通過(guò)對(duì)水溫的升高來(lái)測(cè)得旋槳與水磨擦而產(chǎn)生的熱量。然后，他把溫度的改變與水的比熱相乘，便得到一個(gè)數(shù)值。反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后，焦耳發(fā)現(xiàn)“無(wú)論在何處消耗機(jī)械力，都會(huì)最終獲得精確相同的熱量。”由此他確定了：?jiǎn)挝粰C(jī)械作功所產(chǎn)生的熱量是個(gè)常數(shù)，他稱(chēng)之為“熱功當(dāng)量”（mechanical equivalent of heat）。他還精確地測(cè)出了這個(gè)常數(shù)，用今天的標(biāo)準(zhǔn)單位來(lái)說(shuō)就是 4.18 焦/卡。雖然后人發(fā)現(xiàn)法國(guó)物理學(xué)家薩迪·卡諾的“熱質(zhì)”學(xué)說(shuō)經(jīng)量化之后非常接近這個(gè)熱功當(dāng)量，但卡諾畢竟沒(méi)有走出這最后一步。1847 年，德國(guó)著名物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz，1821-1894）[2] 明確地宣稱(chēng)，這個(gè)熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)同時(shí)歸功于馮·邁耶和焦耳。

焦耳的機(jī)械和熱能轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置

　　為了支持聲名鵲起的兒子繼續(xù)他的科學(xué)研究，焦耳的父親為他在自家經(jīng)營(yíng)的啤酒廠里蓋起了一間實(shí)驗(yàn)室，并提供所有的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。隨之而來(lái)的是一些年輕的科學(xué)家，他們也利用這間實(shí)驗(yàn)室做研究，并和焦耳一起進(jìn)行熱力學(xué)與流體力學(xué)的各種實(shí)驗(yàn)，包括后來(lái)著名的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家喬治·斯托克斯（George G。 Stokes，1819-1903）。

　　可是科研并不總是一帆風(fēng)順，特別是觸及到社會(huì)利益的時(shí)候便會(huì)遇到各種阻力。1843 年，焦耳以當(dāng)時(shí)工業(yè)市場(chǎng)最好的產(chǎn)品“可尼斯蒸汽引擎”（Cornish Stream Engines）為例，通過(guò)計(jì)算指出它百分之九十本來(lái)可以用作機(jī)械功的能量都以散熱的形式浪費(fèi)掉了。因?yàn)檫@篇報(bào)告，他招致工業(yè)界商人的猛烈攻擊，甚至多年之后還有人譏諷他只會(huì)用別人的引擎去做實(shí)驗(yàn)而自己卻無(wú)法制造出更高效的引擎。焦耳對(duì)這一切指責(zé)都不予理睬。當(dāng)年他更關(guān)注的是“能源枯竭”的長(zhǎng)遠(yuǎn)危機(jī)，并積極建議英國(guó)政府去尋找新能源。

　　1847 年，時(shí)為格拉斯哥大學(xué)（Glasgow University）物理學(xué)教授的開(kāi)爾文（William Thomson Kelvin，1824-1907）[3]，關(guān)注到了這位 29 歲年輕人焦耳的重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)并表示了支持。他和焦耳后來(lái)成為終生合作伙伴，兩人理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，聯(lián)名發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。

　　在蜜月里做實(shí)驗(yàn)的新郎

　　1847年，圣安德魯斯大學(xué)（St。 Andrews University）自然哲學(xué)系招募系主任，學(xué)校認(rèn)定焦耳為最佳人選。焦耳婉言推卻了，理由是：“我要結(jié)婚了。我將無(wú)法承接學(xué)校那些無(wú)休止的繁雜事務(wù)。”這不是遁詞。8 月 18 日，焦耳與阿米莉亞·格萊姆斯（Amelia Grimes）女士結(jié)了婚。據(jù)說(shuō)新郎帶上一支高靈敏度溫度計(jì)和新娘去法國(guó)阿爾卑斯山下的 Sallanches 度蜜月。在那山區(qū)里，新郎好幾天都跑去測(cè)定 800 多英尺高的  Cascade de l’Arpenaz 瀑布上下方的水溫進(jìn)而計(jì)算瀑布水流落差帶來(lái)的能量改變，讓新婚妻子靜坐在草地或馬車(chē)上等待他歸來(lái)。

　　同年，焦耳成功地進(jìn)行了一系列精確的電解和燃燒實(shí)驗(yàn)，并作出結(jié)論說(shuō)：“電、磁、光、聲波、化學(xué)反應(yīng)，都是不同型態(tài)的能量。因此，根據(jù)能量的理論，可以把物理世界以更簡(jiǎn)單的形式表達(dá)出來(lái)。”當(dāng)年，那是超時(shí)代的觀念。事實(shí)上，直到 20 年之后，物理和熱力學(xué)家彼得·泰特（Peter G。 Tait，1831-1901）才在論著里明確地以“能量”的觀點(diǎn)去描述各種物理現(xiàn)象。

　　焦耳還通過(guò)熱的研究去探索宇宙的奧秘。當(dāng)年他計(jì)算了隕石在大氣摩擦中產(chǎn)生的熱，發(fā)現(xiàn)地球大氣層的厚度剛好能提供足夠的摩擦阻力，將大部分的隕石化成灰塵，保護(hù)了地球上的自然環(huán)境和生命。

　　1848 年，焦耳在實(shí)驗(yàn)中第一次精確地測(cè)量出氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度。同年，他被 1757 年建立的歐洲最杰出的學(xué)術(shù)團(tuán)體杜林皇家科學(xué)會(huì)（Turin’s Royal Academy of Science）接納為會(huì)員。這個(gè)科學(xué)會(huì)的會(huì)員包括一些著名科學(xué)家如意大利化學(xué)家阿梅代奧·阿伏伽德羅（Amedes Avogadro， 1776-1856），法國(guó)數(shù)學(xué)家約瑟夫·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange， 1736-1813）、英國(guó)物理學(xué)家法拉第和天文學(xué)家威廉·赫歇爾（William Herschel， 1738-1822）。

　　1849 年，焦耳在牛津向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)做了題為“On the Mechanical Equivalent of Heat”的報(bào)告。雖然當(dāng)時(shí)不少聽(tīng)眾持有懷疑態(tài)度，但他的成果最后獲得了肯定，讓他在《皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊》發(fā)表了關(guān)于“熱功當(dāng)量”的研究論文。這項(xiàng)重大貢獻(xiàn)和熱力學(xué)第一定律一起，讓焦耳成為了熱力學(xué)（thermodynamics）的奠基人之一。

　　1850 年，32 歲的焦耳被遴選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士。

　　1852 年，焦耳與開(kāi)爾文聯(lián)名發(fā)表后來(lái)被稱(chēng)為“焦耳-湯姆森效應(yīng)” 的論文，成為冷凍工業(yè)發(fā)展的基石。為此，英皇給焦耳頒授了國(guó)家勛章（Royal Medal）。

　　磨煉與歸宿

　　1852-1855 這幾年是焦耳人生中最艱難的一段時(shí)光。首先，他父親中風(fēng)病重，家庭啤酒廠的生意一落千丈，焦耳的實(shí)驗(yàn)室只好關(guān)閉。隨后，夫人在生第三個(gè)小孩時(shí)因難產(chǎn)失血過(guò)多而去世。接下來(lái)，英國(guó)卷入了克里米亞戰(zhàn)爭(zhēng)（Crimea War），讓焦耳放下科研，參加了戰(zhàn)地救死扶傷的服務(wù)工作。

　　1856 年之后，焦耳重新回到了他熱愛(ài)的物理實(shí)驗(yàn)研究。1860 年，他因杰出研究成績(jī)和聲望當(dāng)選為曼徹斯特文學(xué)與哲學(xué)學(xué)會(huì)主席。當(dāng)年，“土木工程學(xué)之父”約翰·斯米頓（John Smeaton， 1724-1792）和道爾頓都是這個(gè)學(xué)會(huì)的會(huì)員。焦耳在學(xué)會(huì)第一次演講的題目是“人類(lèi)居住的世界”（The Plurality of Inhabited Worlds）。他說(shuō)：“也許科學(xué)家無(wú)法證明其他星球有沒(méi)有生命的存在，但是科學(xué)家能夠證明，其他星球有沒(méi)有適合生命存在的環(huán)境：溫度、空氣、水、重力。即使有適合生命生存的環(huán)境，也不一定就會(huì)有高等生物存在。但是，有高等生命存在的地方，則必須要有可以學(xué)習(xí)的場(chǎng)所。而這場(chǎng)所必須建立在一個(gè)大家能夠和平相處的社區(qū)環(huán)境里。”

　　1873 年起，伴隨著經(jīng)常性鼻出血的疾病嚴(yán)重地干擾了焦耳的科學(xué)研究甚至日常生活。5 年后，60 歲的焦耳發(fā)表了他人生最后的一篇學(xué)術(shù)論文。

　　1889 年 10 月 11 日，焦耳在家中病逝，享年 71 歲。

　　臨終前，焦耳留下了一張紙條，上面寫(xiě)道：“我已感到科學(xué)逐漸走向一個(gè)危機(jī)──科學(xué)的誤用。特別是，把科學(xué)用在戰(zhàn)爭(zhēng)武器的研發(fā)上。這將導(dǎo)致人類(lèi)文明的滅亡。我深感難過(guò)的是，有些科學(xué)家認(rèn)為研發(fā)毀滅性的武器是為了恫嚇對(duì)方從而終止戰(zhàn)爭(zhēng)。這種看法是沒(méi)有道理的，因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)的本質(zhì)是殘忍與毀滅。研發(fā)武器的科學(xué)家無(wú)法成為戰(zhàn)爭(zhēng)的決策者，因而他們最終會(huì)成為好戰(zhàn)政治家的工具。科學(xué)的誤用就是偏離了正確的目標(biāo)，結(jié)果強(qiáng)者越強(qiáng)，弱者越弱。我的論點(diǎn)并非貶低以科學(xué)研發(fā)來(lái)保衛(wèi)國(guó)家的價(jià)值，而是批判靠科學(xué)去挑起爭(zhēng)端。”末了，焦耳寫(xiě)道：“我的學(xué)生們啊！你們有些人也許會(huì)自認(rèn)為能夠了解歷史上的每一個(gè)大小事件，或者能夠講出世界上的每一種方言，或者能夠準(zhǔn)確地?cái)⑹雒恳环N形而上的觀念，或者能夠解出所有科學(xué)與工程的復(fù)雜難題。但是，如果沒(méi)有愛(ài)，你們將不知道如何把所學(xué)到的這一切放在正確的位置上。”

　　焦耳被埋葬在曼徹斯特城郊的 Brooklands 墳場(chǎng)。在他的墓碑上刻有數(shù)字“772.55”，那是他 1843 年測(cè)量中得到的熱功當(dāng)量值。焦耳畢生是個(gè)虔誠(chéng)的基督教徒，他曾在一篇論文中寫(xiě)道：“顯然，熟悉自然法則并不亞于熟悉它所表達(dá)的上帝的原意。”在倫敦西敏寺內(nèi)，人們?yōu)樗e行了悼念儀式并設(shè)立了一個(gè)紀(jì)念碑牌，放置在牛頓、赫歇爾、達(dá)爾文等科學(xué)家的墳?zāi)垢浇?/p>

西敏寺內(nèi)焦耳的紀(jì)念碑牌

　　除了寶貴的科學(xué)遺產(chǎn)，焦耳還留下了一句警世恒言：“對(duì)自然及其規(guī)律的研究是一項(xiàng)基本而神圣的任務(wù)，它對(duì)年輕一代的教育是非常重要甚至是必不可少的。”