互动科普

运动量的守恒

现在说到能量守恒几乎无人不知，但要具体问问能量是什么，可能有相当多的人不明所以。能量不像实物的质量那样直观，它只是物质的一种状态，或者是一种做功的能力。人们最早注意到的是机械能，比如伽利略就注意到单摆从高处落下到达最低点速度最快，然后又回到最高点速度变为零。这是机械能守恒的典型例子，但当时人们并没有认识到这一点。

不过，物体运动的速度和物体的质量似乎与运动的守恒之间有必然的联系。最早用数学表述运动量守恒的是莱布尼兹，他认为系统中质量（m）与速度（v）的平方之积是个守恒量，他称之为“活力”。mv²在无摩擦的系统中是成立的，但在有摩擦存在时就不成立了。许多物理学家认为守恒的量应该是更为简单的质量与速度之积（称为动量），因为即使在存在摩擦的系统中mv也是守恒的。后来证明在弹性碰撞的系统中这两个描述机械运动状态的量都是守恒的。

工程师们认为实际计算中只用动量守恒是不够的，还要利用莱布尼兹的活力，一些化学家也支持活力。但学者们很快就指出运动中活力并不守恒，逐渐怀疑在有摩擦的情况下运动转变为热。1807年，托马斯·杨首次使用“能量”这个词表示机械运动状态和动能做功的能力，此后“活力”被称为“能量”，mv²被改写为更精确的1/2mv²，这意味着找到了能量与功之间转换常数的精确值。

医生迈尔的发现

现代意义的能量守恒定律发展中的一个关键问题是要证明热与机械功之间是一致的，并可相互转换，但当时的“热质说”坚持热不能创生也不能消失，这在一定程度上阻碍了物理学家发现能量守恒定律的进程。

首先表述现代意义能量守恒定律的是一位医生，他的名字叫迈尔（J.R.Mayer，1814〜1878），德国汉堡人。他大学时学医，但并不喜欢当医生，而是喜欢物理，对万事总要问个为什么，并且必亲自观察、研究、实验。1840年2月22日，他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度。一日，船队在加尔各达登陆，船员因水土不服都生起病来，于是迈尔依老办法给船员们放血治疗。通常，在病人静脉血管上扎一针，就会放出一股黑红的血来，可是在这里，从静脉里流出的仍然是鲜红的血。于是，迈尔开始思考：人的血液所以是红的，是因为里面含有氧，氧在人体内燃烧产生热量，维持人的体温。这里天气炎热，人要维持体温不需要燃烧那么多氧了，所以静脉里的血仍然是鲜红的。那么，人身上的热量到底是从哪来的？是来自人吃的食物，不论吃肉吃菜，都一定是由植物而来，植物是靠太阳的光热而生长的。于是，他开始是从哲学的角度考虑能量如何转化或转移。

他回到汉堡就写了一篇《论无机界的力》，并用自己的方法测得热功当量为365千克·米/千卡。他将论文投到《物理年鉴》，却得不到发表，最终于1842年5月发表在一本名不见经传的医学杂志上，时年28岁。他到处对人说：“你们看，太阳挥洒着光与热，地球上的植物吸收了它们，并生出化学物质⋯⋯”他的演说在当时几乎无人相信。直到1858年，世界又重新发现了迈尔，他被瑞士巴塞尔自然科学院授为荣誉博士。1870年，他入选巴黎科学院，还获得了英国皇家学会的科普利奖章。

（本文发表于《科学世界》2012年第4期）