一個沒有學歷和文憑的杰出物理家

2021-11-17 09:37:26 來源：人民日報客戶端作者：陳關(guān)榮

大號中號小號

導語

焦耳（Joule，簡稱焦，英文縮寫為J）是國際標準中熱和功的單位：在經(jīng)典力學里，1焦耳等于1牛頓作用力經(jīng)過1米距離所消耗的能量（或所做的功）；在電磁學里，1焦耳等于1安培電流通過1歐姆電阻在1秒時間內(nèi)所消耗的能量。這個基本單位的設(shè)定用以記念英國物理學家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule，1818年12月24日 ─ 1889年10月11日）。

1. 著名的實驗物理學家

今天，焦耳這個名字家喻戶曉，上過中學物理課的人都聽說過他?？墒?，除了他的名字用作物理單位之外，許多人對焦耳本人的經(jīng)歷和成就所知不多。事實上，焦耳是一位沒有受過正規(guī)教育的“民間科學家”，但他在科學界被認為是“十九世紀最杰出的實驗物理學家之一”。

焦耳三十而立，32歲時成為英國皇家學會（Royal Society）院士。

他34歲時榮獲英皇勛章（Royal Medal）。該獎章每年頒給兩位分別作出“最重要自然知識貢獻”和“應用科學杰出貢獻”的個人。

他39歲時獲頒愛爾蘭都柏林三一學院榮譽博士學位，42歲榮膺牛津大學榮譽博士學位并當選為曼徹斯特文學與哲學學會（Manchester Literary and Philosophical Society）主席。

焦耳52歲時榮獲英國皇家學會的科普利獎章（Copley Medal），那是世界上最古老最著名的科學獎，始于1731年，歷史上獲獎者包括富蘭克林、哈密頓、高斯、法拉第，以及焦耳之后的亥姆霍茲、吉布斯、門捷列夫、盧瑟福、愛因斯坦、普朗克、波恩、哈代、狄拉克、霍金、羅伯特·梅、希格斯等名人。

接著，他53歲時榮獲愛丁堡大學榮譽博士學位并出任英國科學促進會（British Association for the Advancement of Science）主席。

隨后，他62歲時榮獲英國皇家藝術(shù)學會頒發(fā)Albert 獎章。

焦耳71歲時去世。倫敦西敏寺（Westminster Abbey）為他舉行了悼念儀式并安放了一個銘牌。在他去世之前，西敏寺內(nèi)就陳列著牛頓、法拉第、達爾文、托馬斯·楊等科學家的墓碑或銘牌。焦耳的一座塑像被安置在曼徹斯特市政廳內(nèi)他的啟蒙導師約翰·道爾頓（John Dalton，1766-1844）銅像對面，另一座矗立在他家鄉(xiāng)曼徹斯特城郊的Worthington Park花園內(nèi)。

圖2 焦耳銅像（Worthington Park，曼徹斯特城郊）

2. 一個沒有學歷的年輕人

焦耳于1818年圣誕節(jié)前夜出生在曼徹斯特城郊的Salford。他父親經(jīng)營一間啤酒廠。焦耳5歲時被發(fā)現(xiàn)脊椎側(cè)彎，隨后幾年多次在醫(yī)院進行矯正，但最終以失敗而放棄，讓他終生不能筆直站立。

焦耳在小學讀書時因身體缺陷常被同學嘲笑，并因喜歡在課本上涂鴉屢被老師批評。父親無奈，只好讓焦耳休學，留在家里由阿姨管教，直到他15歲為止。平時，焦耳喜歡躺在床上看書。有一次，焦耳對父親說：“書本是我最好的旅游去處。”這讓父親想起了被稱為“旅游教師”的約翰·道爾頓（John Dalton，1766-1844）。道爾頓經(jīng)常上課時帶學生們?nèi)ソ加?，在野外指導學生觀察、試驗、計算和討論。父親把焦耳送進了道爾頓主辦的私校就讀，并請道爾頓當他的監(jiān)護人。

在學校里，道爾頓主要講授初等物理、化學和數(shù)學。他本人后來成為著名的物理學家和化學家，56歲時成為皇家學會院士，因為第一個提出“物質(zhì)由原子組成”的學說而聞名于世，今天原子量的單位便以他命名。道爾頓是貴格會教徒，天性謙恭，不愛張揚，終生未婚。不幸的是他73歲那年中風失語，78歲去世時遺體在曼徹斯特市政廳門前停放了四日，先后有四萬多人前往悼念。

焦耳后來寫道：“道爾頓要求學生首先學習三角幾何，并練習解算數(shù)學題，因為他認為‘解數(shù)學題是訓練學生專心做事的最好方法，而專心致志是科學家最基本的素養(yǎng)’。如果學生不明白上課所教的內(nèi)容，他會給學生發(fā)放非常清晰的講義。不過，他強調(diào)講義是用來引導學生的，并不能取代學生自己的探索。”焦耳還回憶說：“正是從他的教導中，我第一次產(chǎn)生了通過原創(chuàng)性研究來增加我的知識的愿望。”

在道爾頓的指導和影響之下，焦耳逐漸走上了科學實驗的道路。那時候?qū)W校沒有實驗室，他自己在家中的地窖里做實驗。他早期的大多數(shù)實驗基于電學。他在地窖里放滿電池、電磁鐵、馬達、發(fā)電機和檢流計，其中大部分是自己動手制造的。也許是由于少年失學的緣故，動手做實驗比讀書對他來說更具吸引力。焦耳最終沒有完成任何正式的學歷，更談不上取得什么學位。

3. 熱和電的焦耳定律

“熱”是什么呢？這曾經(jīng)是個千古難題。十八世紀末，雖然工程師詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）制造了工業(yè)用蒸汽機，但是人們對其中的熱能傳遞和轉(zhuǎn)換機理并不清楚。當年，為了解釋熱的物理本質(zhì)，“熱質(zhì)”理論（caloric theory）非常流行，包括被稱為“熱力學之父”的法國物理學家薩迪·卡諾（Nicolas L. Sadi Carnot，1796-1832），都說熱是一種沒有質(zhì)量的氣體，物體吸收熱質(zhì)后溫度就會升高，而且熱質(zhì)可以穿過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)，焦耳傾向于認為熱是原子的運動，熱傳導就是原子運動的“能量”從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上去。但這想法需要有極為精確的實驗加以證明。焦耳一系列的實驗擔負起了這一艱難的重任。

1838年焦耳20歲。他設(shè)計了一個實驗，將一個小線圈繞在鐵芯上，用電流計測量感生電流，然后把線圈放入容器內(nèi)的水中，再測量出水溫，最后計算出熱量。因為沒有外界電源供電，水溫的升高只能是電能轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果。這樣產(chǎn)生出來的熱，后人稱為“焦耳熱”。同年，焦耳在《電學年鑒》（Annals of Electricity）上發(fā)表了他第一篇學術(shù)論文“On electro-magnetic forces”，宣稱“我的目標是，首先發(fā)現(xiàn)正確的原理，然后指出它們在應用上的發(fā)展”，并報告了他發(fā)現(xiàn)電流可以做功的現(xiàn)象。

1840年，22歲的焦耳在愛爾蘭Cork市召開的英國科學促進會的會議上報告了上述實驗結(jié)果。但在座的科學家們毫無興趣。當時很多人對這全新發(fā)現(xiàn)的來龍去脈一無所知，還有一些人對焦耳的測量精確性存有懷疑，更有一個可能的原因是他們對這位沒有學歷的業(yè)余科學家并無太大的信心。

同年，焦耳把實驗報告寫成論文“On the Production of Heat by Voltaic Electricity”，詳細描述了他的實驗結(jié)果，投到《皇家學會學報》（Philosophical Transactions of the Royal Society），但被退稿。于是他改投到《皇家學會會訊》（Royal Society Proceedings），再遭拒絕。最后，焦耳把稿件投去《哲學雜志》（Philosophical Magazine）。這次，雜志同意審稿了?？墒?，審稿人要求他多做很多實驗以驗證其結(jié)果的正確性。年少氣盛的焦耳不高興了，反過來拒絕了雜志。他回信說：“任何的機械能量釋出，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。”這其實是科學史上著名的“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。終于，次年焦耳在《哲學雜志》上發(fā)表了這篇論文，報告了他的實驗結(jié)果：“電流在導線中所產(chǎn)生的熱量，等于電阻乘以電流的平方”，這就是后來著名的“焦耳定律”（Joule's Law）。四年后，俄國物理學家海因里希·楞次（Heinrich F. E. Lenz，1804-1865）發(fā)表了獨立的實驗結(jié)果，從旁證實了焦耳的這個電熱效應。該定律后來也稱為“焦耳-楞次定律”。

1. 熱力學第一定律和熱功當量

那些年，沒有學位的焦耳四處碰壁，很不得意。不知什么緣故讓他鼓起勇氣，將自己的研究報告寄給了學術(shù)泰斗邁克·法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）[1]。1843年3月24日，慧眼識真金的法拉第回信了，高度地評價了焦耳的工作，說：“我已收到你寄來的文章，并且立刻就閱讀了。感謝你對我們所衷心熱愛的科學有這么美好的貢獻。何等的歡慰啊，我能夠在一息尚存之際看到你為電學做出的這一步跨越。我已看到你未來的輝煌！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，你在自然科學的這個領(lǐng)域做出了非常重要的貢獻。”

于是，焦耳關(guān)于能量轉(zhuǎn)換和守恒的研究論文被《皇家學會學報》接收發(fā)表。科學界從此知道，圈子里來了一位二十多歲的新星，他建立了熱力學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普適的基本規(guī)律。

接下來，焦耳還試圖弄清楚機械能和熱的定量關(guān)系。1842年，德國醫(yī)生、化學家和物理學家羅伯特·馮·邁耶（Julius Robert von Mayer，1814-1878）在《化學與藥學年鑒》（Annalen der Chemie und Pharmacie）發(fā)表了一篇論文，指出單位機械功所產(chǎn)生的熱量是一個常數(shù)，不過他沒能給出這個常數(shù)的數(shù)值。1843年，焦耳在不知道上述德文文章的情形下，在家中的地窖里獨立地做了一個成功的壓縮氣體加熱的實驗，以及一個十分精確的機械運動生成熱的實驗，其裝置如圖3所示。在這個實驗中，他讓鋼錘自由落下，驅(qū)動中間的轉(zhuǎn)軸從而帶動容器水中的旋槳轉(zhuǎn)動。他通過對水溫的升高來測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，便得到一個數(shù)值。反復實驗之后，焦耳發(fā)現(xiàn)“無論在何處消耗機械力，都會最終獲得精確相同的熱量。”由此他確定了：單位機械作功所產(chǎn)生的熱量是個常數(shù)，他稱之為“熱功當量”（mechanical equivalent of heat）。他還精確地測出了這個常數(shù)，用今天的標準單位來說就是4.18焦/卡。雖然后人發(fā)現(xiàn)法國物理學家薩迪·卡諾的“熱質(zhì)”學說經(jīng)量化之后非常接近這個熱功當量，但卡諾畢竟沒有走出這最后一步。1947年，德國著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz，1821-1894）[2] 明確地宣稱，這個熱功當量的發(fā)現(xiàn)同時歸功于馮·邁耶和焦耳。

圖3 焦耳的機械和熱能轉(zhuǎn)換實驗裝置

為了支持聲名鵲起的兒子繼續(xù)他的科學研究，焦耳的父親為他在自家經(jīng)營的啤酒廠里蓋起了一間實驗室，并提供所有的實驗費用。隨之而來的是一些年輕的科學家，他們也利用這間實驗室做研究，并和焦耳一起進行熱力學與流體力學的各種實驗，包括后來著名的數(shù)學家和物理學家喬治·斯托克斯（George G. Stokes，1819-1903）。

可是科研并不總是一帆風順，特別是觸及到社會利益的時候便會遇到各種阻力。1843年，焦耳以當時工業(yè)市場最好的產(chǎn)品“可尼斯蒸汽引擎”（Cornish Stream Engines）為例，通過計算指出它百分之九十本來可以用作機械功的能量都以散熱的形式浪費掉了。因為這篇報告，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用別人的引擎去做實驗而自己卻無法制造出更高效的引擎。焦耳對這一切指責都不予理睬。當年他更關(guān)注的是“能源枯竭”的長遠危機，并積極建議英國政府去尋找新能源。

1847年，時為格拉斯哥大學（Glasgow University）物理學教授的開爾文（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實驗并表示了支持。他和焦耳后來成為終生合作伙伴，兩人理論和實驗相結(jié)合，聯(lián)名發(fā)表了多篇學術(shù)論文。特別是，他們發(fā)現(xiàn)了著名的“焦耳-湯姆森效應”（Joule-Thomson Effect），描述氣體膨脹和溫度變化的關(guān)系。不過那些都是后話。

5. 學術(shù)人生的一段坦途

1847年，圣安德魯斯大學（St. Andrews University）自然哲學系招募系主任，學校認定焦耳為最佳人選。焦耳婉言推卻了，理由是：“我要結(jié)婚了。我將無法承接學校那些無休止的繁雜事務。”不過他那不是遁詞。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)說新郎帶上一支高靈敏度溫度計和新娘去法國阿爾卑斯山下的Sallanches度蜜月。在那山區(qū)里，新郎好幾天都跑去測定800多英尺高的Cascade de l’Arpenaz瀑布上下方的水溫進而計算瀑布水流落差帶來的能量改變，讓新婚妻子靜坐在草地或馬車上等待他歸來。

同年，焦耳成功地進行了一系列精確的電解和燃燒實驗，并作出結(jié)論說：“電、磁、光、聲波、化學反應，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單的形式表達出來。”當年，那是超時代的觀念。事實上，直到20年之后，物理和熱力學家彼得·泰特（Peter G. Tait，1831-1901）才在論著里明確地以“能量”的觀點去描述各種物理現(xiàn)象。

焦耳還通過熱的研究去探索宇宙的奧秘。當年他計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，保護了地球上的自然環(huán)境和生命。他寫道：“在大自然里，機械、化學和生物能量在時空中不斷互相影響和轉(zhuǎn)化，讓宇宙維持著某種秩序，并且在清楚明確地、實實在在地運行。不管其間有多么復雜的能量變化，宇宙依然是穩(wěn)定和諧的。”

1848年，焦耳在實驗中第一次精確地測量出氣體分子的運動速度。同年，他被1757年建立的歐洲最杰出的學術(shù)團體杜林皇家科學會（Turin’s Royal Academy of Science）接納為會員。這個科學會的會員包括一些著名科學家如意大利化學家阿梅代奧·阿伏伽德羅（Amedes Avogadro, 1776-1856），法國數(shù)學家約瑟夫·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange, 1736-1813）、英國物理學家法拉第和天文學家威廉·赫歇爾（William Herschel, 1738-1822）。

1849年，焦耳在牛津向英國皇家學會做了題為“On the Mechanical Equivalent of Heat”的報告。雖然當時不少聽眾持有懷疑態(tài)度，但他的成果最后獲得了肯定，讓他在《皇家學會會刊》發(fā)表了關(guān)于“熱功當量”的研究論文。這項重大貢獻和熱力學第一定律一起，讓焦耳成為了熱力學（thermodynamics）的奠基人之一。

1850年，32歲的焦耳被遴選為英國皇家學會院士。

1852年，焦耳與開爾文聯(lián)名發(fā)表后來被稱為“焦耳-湯姆森效應” 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家勛章（Royal Medal）。

6. 艱難曲折的一段人生

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

1856年之后，焦耳重新回到了他熱愛的物理實驗研究。1860年，他因杰出研究成績和聲望當選為曼徹斯特文學與哲學學會主席。當年，“土木工程學之父”約翰·斯米頓（John Smeaton, 1724-1792）和道爾頓都是這個學會的會員。這個學會正式成立于1781年，是英國最古老的學術(shù)團體之一。其實這個民間學術(shù)團體從15世紀初起就存在了，由一批Collegiate Church基督徒以定期聚會的方式組織讀書會開始。1427年，他們還建立了英國最早的圖書館。該學會一直是曼徹斯特教會社區(qū)教育的中心。他們開設(shè)各種科普講座，還請焦耳主持了圣安娜教會（St. Ann Church）科學講座系列。焦耳第一次演講的題目是“人類居住的世界”（The Plurality of Inhabited Worlds）。他說：“也許科學家無法證明其他星球有沒有生命的存在，但是科學家能夠證明，其他星球有沒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，則必須要有可以學習的場所。而這場所必須建立在一個大家能夠和平相處的社區(qū)環(huán)境里。”

1870年之后，焦耳很少發(fā)表新的實驗研究報告了。不過他的科研工作并沒停止。他重新檢查并審核了自己年輕時所做的大部分研究結(jié)果。為了測量得更準確，焦耳還研究精密儀器的制造，并指出：“精密儀器是提升科學教育和知識必需的工具。”

1872年，焦耳向政府建議成立國家級別的“科學委員會”（Board of Science），負責提供支助教師與民間團體的經(jīng)費；從事科學研究；支持國家對天文、地理、水文、氣候的長期觀測；成立國家科學史館，以保存重要的儀器與研究報告；在大學設(shè)立國家級的實驗室，等等。焦耳認為，“當科學研究向前進步時，經(jīng)濟發(fā)展自然會跟上。”

7. 罹病的晚年和后話

1873年起，伴隨著經(jīng)常性鼻出血的疾病嚴重地干擾了焦耳的科學研究甚至日常生活。焦耳常常會帶兒子Benjamin和女兒Alice到海邊去度假。他后來回憶說：“當科學研究成為我沉重的負載時，我格外需要保留與孩子們在寧靜海灘上獨處的時間。我自己也可以欣賞海鷗的飛翔。它們的翅膀真是優(yōu)美的生物引擎，竟然有如此之高的能量使用效率！”焦耳還去觀察海藻。他說：“低等生物對于高等生物有這么多有益的貢獻，可是生物學家卻大筆一揮，將它們判定為‘低等’。”曾經(jīng)有年輕人問他對達爾文（Charles Darwin, 1809-1882）的進化論有何看法？焦耳回答道：“達爾文只是對地球上生命的演變過程提出一種理論加以說明。不幸的是，許多人卻把他的理論視為是生物學的終極理論。達爾文并沒有用進化論去解釋生命的起源，大家卻把進化論扭曲成生命發(fā)端的理論。”

1878年，維多利亞女王為多病的焦耳提供了200英鎊的慰問金?？嘤诩膊〉恼勰?，這一年60歲的焦耳發(fā)表了他人生最后的一篇學術(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，上面寫道：“我已感到科學逐漸走向一個危機──科學的誤用。特別是，把科學用在戰(zhàn)爭武器的研發(fā)上。這將導致人類文明的滅亡。我深感難過的是，有些科學家認為研發(fā)毀滅性的武器是為了恫嚇對方從而終止戰(zhàn)爭。這種看法是沒有道理的，因為戰(zhàn)爭的本質(zhì)是殘忍與毀滅。研發(fā)武器的科學家無法成為戰(zhàn)爭的決策者，因而他們最終會成為好戰(zhàn)政治家的工具。科學的誤用就是偏離了正確的目標，結(jié)果強者越強，弱者越弱。我的論點并非貶低以科學研發(fā)來保衛(wèi)國家的價值，而是批判靠科學去挑起爭端。”末了，焦耳寫道：“我的學生們??！你們有些人也許會自認為能夠了解歷史上的每一個大小事件，或者能夠講出世界上的每一種方言，或者能夠準確地敘述每一種形而上的觀念，或者能夠解出所有科學與工程的復雜難題。但是，如果沒有愛，你們將不知道如何把所學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。在他的墓碑上刻有數(shù)字“772.55”，那是他1843年測量中得到的熱功當量值。焦耳畢生是個虔誠的基督教徒，他曾在一篇論文中寫道：“顯然，熟悉自然法則并不亞于熟悉它所表達的上帝的原意。”在他的墓碑上鐫刻著《約翰福音》的一段話：“趁著白日，我們必須去做那差我來者的工；黑夜將臨，就沒有人能做工了”。在倫敦西敏寺內(nèi)，人們?yōu)樗e行了悼念儀式并設(shè)立了一個紀念碑牌，放置在牛頓、赫歇爾、達爾文等科學家的墳墓附近。