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）的名字家喻戶曉。焦耳（Joule）是國際標準中熱和功的單位，但許多人對焦耳本人的經(jīng)歷所知不多。事實上，這位物理學巨匠是一位沒有學歷和文憑的“民間科學家”。
James Prescott Joule
本文轉載自公眾號“集智俱樂部”
撰文 陳關榮（香港城市大學電機工程系講座教授，混沌與復雜網(wǎng)絡研究中心主任）
1818 年圣誕節(jié)前夜，焦耳出生在英國曼徹斯特城郊的 Salford，5 歲時被發(fā)現(xiàn)脊椎側彎，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?！边@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)ソ加危谝巴庵笇W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。
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。那時候學校沒有實驗室，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。
被拒稿多次的焦耳定律
“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換機理并不清楚。當年，為了解釋熱的物理本質，“熱質”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量的氣體，物體吸收熱質后溫度就會升高，而且熱質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 歲的時候設計了一個實驗，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化為熱的結果。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。結果不言而喻，焦耳又被退稿了。
焦耳據(jù)理力爭。終于，在次年的《哲學雜志》上發(fā)表了這篇論文，報告了他的實驗結果：“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?！だ愦?/strong>（Heinrich F。 E。 Lenz，1804-1865）發(fā)表了獨立的實驗結果，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”。
風云人物
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：“。。。我知道在這領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域做出了非常重要的貢獻。”
于是，焦耳關于能量轉換和守恒的研究論文被《皇家學會學報》接收發(fā)表?？茖W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化滿足總量守恒關系，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。
在這個實驗中，他讓鋼錘自由落下，驅動中間的轉軸從而帶動容器水中的旋槳轉動。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?！庇纱怂_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”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。1847 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。
焦耳的機械和熱能轉換實驗裝置
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合，聯(lián)名發(fā)表了多篇學術論文。
在蜜月里做實驗的新郎
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：“我要結婚了。我將無法承接學校那些無休止的繁雜事務?！边@不是遁詞。8 月 18 日，焦耳與阿米莉亞·格萊姆斯（Amelia Grimes）女士結了婚。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?！碑斈辏鞘浅瑫r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。
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）。
磨煉與歸宿
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閉。隨后，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。焦耳在學會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?！?/p>
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。5 年后，60 歲的焦耳發(fā)表了他人生最后的一篇學術論文。
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?！蹦┝?，焦耳寫道：“我的學生們啊！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?！?/p>
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?！痹趥惗匚髅羲聝?nèi)，人們?yōu)樗e行了悼念儀式并設立了一個紀念碑牌，放置在牛頓、赫歇爾、達爾文等科學家的墳墓附近。
西敏寺內(nèi)焦耳的紀念碑牌
除了寶貴的科學遺產(chǎn)，焦耳還留下了一句警世恒言：“對自然及其規(guī)律的研究是一項基本而神圣的任務，它對年輕一代的教育是非常重要甚至是必不可少的?！?/p>