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焦耳的坚持不懈

和迈尔同时期独立研究能量守恒的，还有英国人焦耳（J.P.Joule，1818〜1889）。他自幼在道尔顿门下学习化学、数学、物理，一边经营父亲留下的啤酒厂，一边搞科学研究。

1840年，焦耳发现将通电的金属丝放入水中，水会发热；通过精密的测试，他还发现：通电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比。这就是焦耳定律。1841年10月，他的论文在《哲学杂志》上刊出。随后，他又发现，无论化学能、电能所产生的热都相当于一定的功。1843年，焦耳设计了一个实验，系着重物的绳子通过滑轮绕在水槽中的一根轴上，轴在水下的一端装有桨片，当重物下落时带动桨片在水中旋转，重物下落的势能使水槽中水温升高，这说明机械运动产生热量。整个过程同时还证明，因为没有热质的转移，热质说的所谓热质是不存在的。

1845年，焦耳发表了论文《热功当量》（The Mechanical Equivalent of Heat），他测得热功当量为“一磅水升高一华氏度需要772.24尺磅（Foot-pound）的‘力’”（换算为今天的单位是4.1550焦耳/卡）。1847年，他带上自己的实验仪器及报告，参加“英国促进科学协会”的年会，并作了精彩的报告。他做完实验后当场宣布：自然界的力（能）是不能毁灭的，哪里消耗了机械力（能），总得到相当的热。可台下那些赫赫有名的大科学家对这种新理论都摇头，这其中就包括威廉·汤姆孙（W.Thomson，1824〜1907，后来被封为开尔文勋爵）。

后来，焦耳继续使用多种不同的实验测量热功当量，直到1878年，这时距他开始进行这一工作将近40年了，他已前后进行了400多次的实验。他在1849年用摩擦使水变热的方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为423.9千克·米/千卡。

图：焦耳的机械能-热能转换装置

汤姆孙加盟获得广泛承认

在1847年的那次年会上，焦耳的理论激起汤姆孙的兴趣，但一开始他对焦耳的理论表示怀疑。两年多以后他开始思考，并自己做实验验证，逐渐开始相信焦耳的理论，最终于1851年发表文章承认焦耳的理论是对的，同时也相信了迈尔的理论。后来，他请焦耳共同研究这个发现。他在焦耳的实验室里看到各种自制的仪器，为焦耳的坚韧不拔而深深感动。后来汤姆孙与焦耳的合作主要通过书信的方式，由焦耳设计完成实验，由汤姆孙分析实验结果，并提出进一步实验的建议。

这种合作从1852年一直持续到1856年，发表的结果促使人们普遍接受了焦耳的功的理论和分子运动论。两个三十几岁的青年终于共同完成了能量守恒和转化定律的精确表述。

能量守恒定律的拓展

能量守恒定律至今仍然是力学乃至整个自然科学的重要定律。1905年，26岁的爱因斯坦（Albert Einstein，1879～1955）发表了阐述狭义相对论的著名论文《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》，揭示了质能守恒定律，即在一个孤立系统内，所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变，称为质能守恒定律，从此把能量和质量联系在一起。

不过，目前有研究者认为，能量守恒定律需要条件限制，它并不是在任何情况、任何时空都是普适的，认为时间平移不变性是能量守恒的条件。还有研究者通过分析能量守恒定律，认为各种形式能量的转换遵循等量转换原则是能量守恒定律成立的基本条件。人们对于能量守恒定律的认识和研究，还需要更进一步地深入。

（本文发表于《科学世界》2012年第4期）