能量守恒定律發(fā)現(xiàn)者光環(huán)的背后

能量守恒定律發(fā)現(xiàn)者光環(huán)的背后天才業(yè)余科學(xué)家邁爾的坎坷人生西北師范大學(xué)教育學(xué)院黃鵬郎和鄧天華選自《物理教師》2009年第10期能量守恒定律與細(xì)胞學(xué)說、進(jìn)化論被合稱為19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)。而能量守恒定律的首次公開提出，卻出自于一個(gè)“瘋子”醫(yī)生一一J?R?邁爾(JuliusRobertMayer,1814?1878)。邁爾，1814年11月25日生于德國符騰堡(今巴登一符騰堡)的海爾布隆，1838年獲蒂賓根大學(xué)醫(yī)學(xué)系博士學(xué)位，一生行醫(yī)。作為一個(gè)醫(yī)者，是如何與能量守恒定律聯(lián)系起來的？這得從一次旅行說起。1爪哇的發(fā)現(xiàn)一一激發(fā)邁爾發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的第一朵火花1840年2月，邁爾充當(dāng)船醫(yī)，從荷蘭駛往東印度。當(dāng)航行到熱帶地區(qū)東爪哇時(shí)，他發(fā)現(xiàn)海員患者的靜脈血比在歐洲時(shí)更紅。在拉瓦錫燃燒理論的啟發(fā)下，他認(rèn)為這是由于血液含氧較多的緣故。因?yàn)樵跓釒Ц邷氐那闆r下，人的機(jī)體只需要吸收食物中較少的熱量，所以機(jī)體中食物的燃燒過程減弱了，因此在靜脈血里留下了較多的氧。邁爾在1840年7月中旬的這一發(fā)現(xiàn)，是激發(fā)他發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的第一朵火花。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了邁爾的一連串思考，使他聯(lián)想到人的體力所作的功。邁爾認(rèn)為，食物所含的化學(xué)能像機(jī)械能一樣，可以轉(zhuǎn)化為熱。他還聽到海員們說暴風(fēng)雨時(shí)海水比較熱，這也啟發(fā)他聯(lián)想到熱與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的相當(dāng)性。2．坎坷的論文發(fā)表歷程2．11841年未予發(fā)表的處女作1841年2月回到海爾布隆以后，邁爾立即開業(yè)行醫(yī)，并頗有聲譽(yù)。與此同時(shí)，他也不斷的進(jìn)行科學(xué)思考。他深信在熱與功之間，必有一個(gè)恒定的關(guān)系。然而他對(duì)相關(guān)物理學(xué)的思想了解甚少，只是通過哲學(xué)的思辨認(rèn)為他的想法可信，難以作出具體的物理學(xué)表述。1841年夏，邁爾把想法整理成一篇論文“關(guān)于力的量和質(zhì)的測(cè)定”(Uberdiequantitative

undqualitativeBestimmungderKrafte)。(當(dāng)時(shí)德文中的“力”(Kraft)相當(dāng)于以后的“能”

(Energie))論文首先指出：自然科學(xué)的任務(wù)是用因果關(guān)系來解釋無機(jī)世界和有機(jī)世界的各

種現(xiàn)象，一切現(xiàn)象都在變化，變化不可能沒有原因，這種原因就是力。他認(rèn)為：“力是不滅

的”，“力在量上是不變的”。在論文中，邁爾用質(zhì)量和速度的乘積(me)來表示運(yùn)動(dòng)的量(即

動(dòng)能)，并由此討論了兩個(gè)粒子的碰撞問題。這篇論文于1841年6月投給J.C.波根多夫

1/4（Poggendorf）主編的《物理與化學(xué)雜志》波根多夫雜志的編輯部認(rèn)為邁爾的觀點(diǎn)過于新穎又缺少精確的實(shí)驗(yàn)論證，不易被人接受，并且存在用質(zhì)量和速度的積來表示“運(yùn)動(dòng)力”（即動(dòng)能）的缺陷，拒絕發(fā)表該論文。盡管邁爾多次索取稿子，也未退稿。雖然邁爾對(duì)此頗為憤懣與失望，但他很快認(rèn)識(shí)到論文的缺陷，立即下決心進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理學(xué)和數(shù)學(xué)。2．21842年首次公開提出能量守恒假說并推出熱功當(dāng)量——第1篇予以公開發(fā)表的文章通過自學(xué)和物理學(xué)教授鮑威爾的幫助，到1841年9月邁爾澄清了他關(guān)于“力”（能）的觀念。他認(rèn)識(shí)到，運(yùn)動(dòng)和力的適當(dāng)度量是質(zhì)量乘速度的平方mc2，而不是me。他還根據(jù)氣體的比熱容計(jì)算出熱功當(dāng)量，并寫了一篇題為“論無機(jī)界的力”的短文。1842年3月，這篇短文在李比希（Liebig）的《化學(xué)與藥學(xué)雜志》中予以發(fā)表。在這篇論文中，邁爾以“無不生有，有不變無”和“原因等于結(jié)果”等哲學(xué)觀念為依據(jù)，對(duì)物理、化學(xué)過程中力的守恒問題作了一般性的論述，提出了“力是不滅的、可轉(zhuǎn)換的、不可稱量的存在物”的著名命題，得出了下落力、運(yùn)動(dòng)力和熱相互轉(zhuǎn)換并互為“當(dāng)量”的結(jié)論，并卓有遠(yuǎn)見地提出了確定熱的機(jī)械當(dāng)量的必要性，又根據(jù)氣體的定壓比熱容和定容比熱容之比（Cp：Cv）為1.421得出了物理學(xué)史上第一個(gè)熱功當(dāng)量的值。這篇論文表明了邁爾是歷史上第一個(gè)公開提出能量守恒假說并推出熱功當(dāng)量的人。但是由于這篇文章不是發(fā)表在專業(yè)的物理學(xué)期刊上，因而沒有引起J.P.焦耳（Joule）、L.A.科耳丁（Colding）等人的注意，以致于他們又獨(dú)立地提出了該假說。2．2．3將能量守恒概念應(yīng)用于生物學(xué)的先驅(qū)1845年自費(fèi)發(fā)表第3篇論文隨后，邁爾渴望借助于有關(guān)熱與功可相互轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)，建立起一個(gè)普遍的能量守恒理論，并決定論證能量守恒概念也適用于生命世界。所以，他寫了“論有機(jī)體的運(yùn)動(dòng)以及它們與新陳代謝的關(guān)系——篇有關(guān)自然科學(xué)的論文”，該文長(zhǎng)達(dá)112頁。在論文中，邁爾具體考察了“下落力”、“運(yùn)動(dòng)力”、“熱力”、“電磁力”和“化學(xué)力”之間25種相互轉(zhuǎn)換過程，作出了否定“熱質(zhì)”的結(jié)論。此外，邁爾還描述并解釋了他1840年瓜哇的發(fā)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)動(dòng)物熱作了深入的探討，認(rèn)為食物的氧化是動(dòng)物熱唯一可能的來源，并用化學(xué)作用解釋了生物能的來源，否定了“生命力”的說法，找到了“化學(xué)和植物生理學(xué)之間的橋梁”，這標(biāo)志著生物物理學(xué)的開端。邁爾把這篇論文投寄于李比希的《化學(xué)與藥學(xué)雜志》，但被拒絕發(fā)表，后于1845年在海爾布隆自費(fèi)出版。該論文可謂是邁爾最重要的一篇論文，但是這篇論文并未引起當(dāng)時(shí)物理學(xué)界和生理學(xué)界的重視。（如果當(dāng)時(shí)邁爾把這篇文章的物理學(xué)部分單獨(dú)成文并用一個(gè)明確的標(biāo)題。也許邁爾關(guān)于熱功當(dāng)量的推算和能量守恒假說的優(yōu)先權(quán)就較易為人們所發(fā)現(xiàn)、所承認(rèn)）

2．2．4艱難與不幸時(shí)期的科學(xué)成果1848年自費(fèi)發(fā)表第4篇論文由于公眾對(duì)他1845年的論文反應(yīng)冷淡、在科學(xué)工作上得不到承認(rèn)，使他感到沮喪和苦惱，又加上3個(gè)孩子相繼去世，也給他帶來了巨大的痛苦。此外，1848年德意志南部各邦爆發(fā)革命期間，他曾被起義軍作短期拘留，在經(jīng)濟(jì)和精神上又受到了打擊，再加上與他投身革命的哥哥弗里茨之間的不和與疏遠(yuǎn)等等所有這些事件最終導(dǎo)致了他的精神崩潰。但是在這段困難時(shí)期，邁爾仍堅(jiān)持他的科學(xué)研究。1846年，他又寫了一篇題為“太陽的光和熱的產(chǎn)生”的論文，送交巴黎科學(xué)院未被發(fā)表，也未得到任何答復(fù)。后來他將該文擴(kuò)展為“對(duì)天體力學(xué)的貢獻(xiàn)——通俗的論述”，并于1848年自費(fèi)出版。在該文中，邁爾將他的能量守恒理論運(yùn)用到宇宙，討論了宇宙中的能量循環(huán)，提出了太陽熱來源的隕石假說，解釋了隕石發(fā)光是由于它們?cè)诖髿庵袚p失了動(dòng)能，并運(yùn)用能量守恒定律解釋了潮汐的漲落。2．5科學(xué)工作的終結(jié)——1850年自費(fèi)發(fā)表第5篇論文1849年5月，由于承受不住巨大壓力與打擊，邁爾在嚴(yán)重失眠后自殺但未遂，經(jīng)長(zhǎng)期的治療才逐漸復(fù)原，期間邁爾仍未忘自己的科學(xué)工作。1851年邁爾又自費(fèi)發(fā)表了“關(guān)于熱功當(dāng)量的評(píng)述”一文。這篇文章是他關(guān)于自己工作的回顧與綜述。首先，在哲學(xué)上，他表達(dá)了他的經(jīng)驗(yàn)論傾向，強(qiáng)調(diào)對(duì)現(xiàn)象的考察，反對(duì)空想和思辨；其次，他追述1840年瓜哇的發(fā)現(xiàn)，論述了能量概念的生物學(xué)意義；再次，他也追述了在1842、1845年發(fā)表的2篇論文，重申他在熱功當(dāng)量和能量守恒發(fā)現(xiàn)方面的優(yōu)先權(quán)。關(guān)于熱的本性，他既明確反對(duì)熱素說，又對(duì)熱的原子理論持懷疑態(tài)度；最后，他引述并高度評(píng)價(jià)了焦耳的工作。這篇文章標(biāo)志著邁爾科學(xué)工作的終結(jié)。此后，他一直被疾病所困擾，竟被關(guān)人精神病院飽受折磨，甚至被誤傳在精神病院不幸逝世，直到1853年才恢復(fù)自由。3．遲到的春天——場(chǎng)關(guān)于優(yōu)先權(quán)的爭(zhēng)論1854年，亥姆霍茲在一次有關(guān)“自然力的相互作用”的講演中提到邁爾是能量守恒原理的奠基人之一，并承認(rèn)邁爾比焦耳、科耳丁和他自己更早地作出這個(gè)發(fā)現(xiàn)。1858年。由于化學(xué)家申拜因（Schobein）的推薦，邁爾被聘為巴塞爾自然科學(xué)院的名譽(yù)院士?？藙谛匏挂沧鹁吹赝瞥邕~爾是能量守恒定律的奠基人，并于1862年開始和他通信。通過克勞修斯的介紹，邁爾與英國物理學(xué)家、英國皇家學(xué)院教授丁鐸耳QohnTyndall）有了接觸。1862年，丁鐸耳在倫敦舉行的一次國際科學(xué)會(huì)議上作了一次講演，綜述了有關(guān)熱功當(dāng)量研究的發(fā)展，并對(duì)邁爾的先驅(qū)性工作作了高度評(píng)價(jià)。強(qiáng)調(diào)了他的優(yōu)先權(quán)，結(jié)果引起了一些英國科學(xué)家的反感。并導(dǎo)致與焦耳、愛丁堡大學(xué)的P.G.臺(tái)特（Tait）以及W.湯姆孫爵士等人的爭(zhēng)論。最終，邁爾終于迎來了遲到近30年的春天，1871年邁爾被授予倫敦皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)?。在德國，邁爾又成為蒂賓根大學(xué)的名譽(yù)哲學(xué)博士，巴伐利亞和柏林科學(xué)院院士。4．一點(diǎn)啟示及其他首先，在德國古典自然哲學(xué)的指導(dǎo)下，邁爾通過生理現(xiàn)象（動(dòng)物熱）的考察而發(fā)現(xiàn)能量守恒定律，首次探討了能量轉(zhuǎn)化與生物學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系，這是將物理學(xué)與生物學(xué)結(jié)合的生物物理學(xué)的開端，這對(duì)當(dāng)今的教育應(yīng)注重學(xué)科之間的聯(lián)系也是有借鑒和啟示作用的。此外，邁爾在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過個(gè)別性和特殊性的判斷總結(jié)出更為普遍的理論——能量守恒定律，可見成熟的科學(xué)發(fā)現(xiàn)不能沒有探索過程，顯科學(xué)是以潛科學(xué)為基礎(chǔ)的。從能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的過程中，我們更為清楚地認(rèn)識(shí)到了潛科學(xué)對(duì)于顯科學(xué)的重要性。其次，邁爾能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)較長(zhǎng)時(shí)間未得到人們承認(rèn)的原因主要有：邁爾能量守恒和轉(zhuǎn)化的思想雖基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出，然而理論推導(dǎo)過多，精確的實(shí)驗(yàn)論證相對(duì)較少，這對(duì)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的物理學(xué)科來說，說服力就不強(qiáng)了；由于邁爾生于德國科學(xué)正在迅速專業(yè)化的時(shí)期，而他始終是一名科學(xué)的業(yè)余愛好者，他的科學(xué)風(fēng)格、與學(xué)術(shù)團(tuán)體（機(jī)構(gòu)）缺乏聯(lián)系都妨礙他的思想為有影響的學(xué)術(shù)刊物和出版社所接受。因此，作為科學(xué)工作者本人，精確的實(shí)驗(yàn)論證是支撐自己理論并為人們所認(rèn)同的有力工具，并且在這信息化、全球化的社會(huì)，加強(qiáng)與科學(xué)共同體的聯(lián)系與合作越來越重要。盡管如此，誰也不能否認(rèn)，邁爾是一位真正的天才。他對(duì)科學(xué)研究的熱愛與執(zhí)著、逆境中堅(jiān)持科學(xué)事業(yè)的決心與毅力、對(duì)待事情的認(rèn)真態(tài)度、堅(jiān)持對(duì)優(yōu)先權(quán)的辯解等無不值得我們欽佩與學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)：1