能量转化和守恒定律是物理学中一个具有普遍意义的定律，是反映物质运动及其转化的自然界的基本规律。它的建立，也是生产技术、哲学和自然科学长期发展的结果。 一、 历史的前奏 18世纪末到19世纪前半叶，自然科学上的一系列重大发现，广泛地揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化。诸如， 1800年“伏打电堆”的发明与随后出现的电解工艺，揭示了电运动和化学运动间的相互转化;1821年发现的“温差电”现象与1834年其逆效应的发现，揭示了热、电之间的相互转化;1820年奥斯特的发现和1831年法拉第的发现，揭示了电与磁的之间的相互转化;等等。这些重要现象的发现，为能量转化和守恒定律的建立奠定了坚实的事实基础。 自然科学上的这类发现，在哲学上也得到了反映。德国哲学家黑格尔提出了各种自然现象之间联系和转化的思想。谢林进一步断言，磁的、电的、化学的、甚至有机现象都会被编织成一个综合体系。这些观点，则为发现能量转化和守恒定律提供了有利的哲学环境。 总之，到了19世纪40年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去观察自然现象。正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七、八种专业的十多位科学家，分别通过不同的途径，各自独立地发现了能量守恒原理。 二、 医生的眼光看问题——迈尔的工作 罗伯特·迈尔是德国的一位青年医生。1840年，迈尔在一艘从荷兰驶往东印度的船上当随船医生。在船驶近爪哇时，他发现患病船员的静脉血比在欧洲时红一些，在拉瓦锡的燃烧理论的启示下，他想到在热带高温的情况下人体只需从食物中吸收较少的热量，这使人体中食物的氧化过程减弱，因而在静脉血中留下了较多的氧。这个现象促使迈尔去思考各种自然力之间的相互转化。 1841年航行结束后，经过一年多时间的努力，迈尔将自己的发现写成了论文《论无机界的力》。迈尔从“无不生有、有不变无”和“原因等于结果”的哲学思考得出了“力就是不灭的、能转化的、无重量的客体”的结论。当时还没有“能量”这个专业的名词，人们往往用各种各样的“力”来表示现在所说的各种能量。迈尔在文中所说的“力”在就是指“能量”。迈尔以“下落力”（重力势能）、“运动的力”（动能）和热的转化具体论证了力（能量）的转化和守恒。在论文的最后，迈尔提出了确立不同的力之间数值上的当量关系的必要性，并根据当时气体比热的测定数据，对热的机械当量进行了计算。 1854年，迈尔在《论有机运动与新陈代谢》中，在肯定了力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律的前提下，考察了5种不同形式的“力”，即“运动的力”、“下落力”、“热”、“电”和“化学力”，描述了运动转化的25种情况，作出了否定热质和其他无重流质的结论。他根据当气体的温度发生确定的变化时，定压过程中吸收的热量大于定容过程中吸收的热量的事实，计算出热功当量的数值为J=365千克米/千卡，相当于J=3.48焦耳/卡（现在的标准值大约在4.2左右）。 三、 亥姆霍兹与《论力的守恒》 德国科学家亥姆霍兹是从生理现象入手，走向成功的。在他还是一个大学生的时候，就对当时流行的生物机体中“存在着一种内在的生命力或活力”的学说产生了怀疑。通过深入的思考，他认识到这个学说“对每一个生物体都赋予了永动机的性质”。但是，亥姆霍兹认为永动机是不可能的。因此，他提出“如果永动机是不可能的话，那么在自然界的不同的力之间应该存在着什么样的关系呢？而且这些关系实际上是否真正存在呢？”这个问题，将亥姆霍兹引导到了能量转化和守恒定律的发现道路上。 1847年，亥姆霍兹出版了他的著名著作《论力的守恒》，从物理假设和已有的物理理论出发，导出可与经验相比较的结论，论证了这一基本原理。 全书除了引言和附注之外，共分为六个部分：一、活力的守恒原理;二、力的守恒原理;三、这些原理在力学中的应用;四、热的力定量;五、电过程的力当量;六、磁和电磁现象的力当量。在这六部分中，亥姆霍兹具体阐述了热、功、化学能、电磁能、光能、机械能之间的相互转化与体系的能量守恒定律。 此外，亥姆霍兹还具体研究了能量守恒原理在各种物理、化学过程中的应用。他指出，在万有引力作用下产生的一切运动，用不可压缩的固体或液体传递的运动，完全弹性固体或液体的运动，波的吸收和辐射热等，都符合“力的守恒原理”。 亥姆霍兹通过非弹性碰撞、摩擦等过程研究了“热的力当量”，指出在这些情况下，如果发生了活力（当时定义的一个物理量，等于mv2，有点类似于今天的动能，2倍的关系）的损失，那就会产生其他形式的“力”，首先就是热。因此，“热的数量可以通过机械力来使之增加，因此，热现象不可能用一种物质推论出来，不可能以这种物质的存在为条件，而只能从某些熟知的有质体（具体的物体）的变化和运动中，或者是从无质体（如电或以太）的变化或运动中推论出来。” 这样，赫尔霍茨就系统地证明了力的守恒定律“与自然科学中任何一个已知现象都不矛盾”，他确信“这个定律的完全证实将是不远的未来物理学家们的基本任务之一”。 四、 经典物理实验的典范——焦耳关于热功当量的测定 焦耳关于热功当量的测定，为能量守恒原理的确立奠定了坚实的实验基础。 焦耳是曼彻斯特一个富有的酿酒商的儿子和业余科学家，很早就关心各种物理力的转化问题。1837年，焦耳在他父亲的工厂装配了用电池驱动的磁电机，并对它进行了多方面的实验测试。在测试中，焦耳注意到了电机和电路中的发热现象，他想到这和机器中的摩擦生热应该一样，都是动力损失的来源，这促使他对电流的热效应进行了定量研究。他在玻璃管中装入水银，通以强弱不同的电流，测出一定时间内相应的温度变化，从而发现了导体的发热量与电流强度的平方成正比。他又利用不同尺寸的导体进行实验，发现一定的电流在一定的时间内产生的热量与导体的电阻成正比。 焦耳进一步思考后，认为磁电式发电机的感生电流应该与来自化学电源的电流产生一样的热效应。于是，他设计了一个实验，将一个线圈放在量热器内，并使它在电磁体的两极之间转动产生感应电流。这个实验完全证实了热可以由磁电机产生。从这个实验中，焦耳领悟到热和机械功是可以互相转化的，在转化过种中应该遵从一定的当量关系。这样，“探求热和失去或得到的机械功之间是否有一个恒定的比值，就成了十分有意义的课题”。焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条线，跨过两个定滑轮后挂上几磅重的砝码，由砝码的重量和下落距离可以计算出所作的功。他共做了13组实验，得出了一个平均结果：“能使1磅水的温度升高华氏1度的热量，等于（并可转化为）把838磅重物提升1英尺的机械功”这个值相当于460千克米/千卡。 焦耳测定热功当量的工作一直进行到1878年，先后采用不同的方法做了四百多次实验，最后得到了热功当量的最佳值，1 千卡=427千克米，相当于J=4.27焦耳/卡。焦耳的这些工作，以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明。 五、 能量转化和守恒定律的最终确立与历史评述 除迈尔、亥姆霍兹和焦耳之外，这一时期还有不少人进行了同一问题的探索。诸如，S·卡诺、格罗夫、柯尔丁等。这样，从19世纪30年代到50年代，许多人彼此独立地以不同的形式提出了能量守恒的思想。这一重要发现，生动地表明了科学的发展受到社会生产发展和科学内在逻辑发展规律的制约，同时也表明了科学家群体力量的强大。 1853年，W·汤姆孙提出了“能量”的概念，并给予它一个精确的定义：“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生的用机械功单位来量度的各种作用的总和。”这样，格拉斯哥的力学教授兰金就首先把“力的守恒定律”改称为“能量守恒定律”，大约到了1860年左右，这个原理才得到普遍承认，而且很快成为物理学和全部自然科学的重要基石。 恩格斯对能量转化和守恒定律曾作过精辟的论述，深刻地分析了定律所包含的内容，并第一次科学地给出了这一定律的名称。同时，他还给予了这一定律极高的评价，称它为“绝对的自然规律”，并把它与细胞学、进化论合称为建立辩证唯物主义世界观具有决定意义的“三大发现”。 六、 能量转化和守恒定律的高级阶段 1905年，人类历史上最伟大的物理学家之一爱因斯坦，冲破了牛顿绝对时空的束缚，创立了相对论，翻开了物理学发展史上的新篇章。他的有关理论也将能量转化和守恒定律引向了更加高级的阶段，使这一定律的内涵和外延得到了一次新的升华。 1905年9月，爱因斯坦在论文《物体的惯性与它所含的能量有关吗？》中，提出了质能变化关系式 ，其中 是能量变化量， 是质量变化量， 是光在真空中的速度。1907年，在论文《关于相对性原理和由此得出的结论》中，爱因斯坦再次明确了质量和能量间的依存的关系 。这就是著名的质能方程。 爱因斯坦认为：“质量和能量实质上是相似的，它们只是同一事物的不同表示。对于孤立体系，质量守恒定律只有在其能量保持不变的情况下才是正确的，这使质量守恒定律与能量原理具有同样的意义。”这就是狭义相对论中的质量能量守恒定律。 1907年之后，爱因斯坦在深入考察了狭义相对论的局限性后，推广了相对性原理，开始创立广义相对论。1913年．爱因斯坦导出了引力场中粒子运动的四维广义协变方程;1915年导出了引力场方程——爱因斯坦方程。1916年，爱因斯坦在《广义相对论的基础》中，从场方程出发，得到了物质能量动量守恒定律，定律是广义协变的。 质能守恒定律和能量动量守恒定律，是经典物理学中能量转化和守恒定律发展的高级阶段，是现代物理学中能够表述自然界普遍法则的最高、最好、最美的完整形式。 |
