河馬食堂(175) 焦耳與能量不滅定律

「熱」是什麼?

在科學研究還不被重視的年代裡,
從事科學,是一種探索的興趣,
委身科學,是一種單純的執著。
科學大師道爾頓(John Dalton, 1766-1844)就是這樣的一個人,
一生以科學教師為己任,提倡科學教育,
把看似複雜的大自然,以單純的邏輯,
平易地呈現在孩子面前,
在人生的晚年,他仍帶著幾個學生,
在暴風雨的日子,到山上看閃電,
在夏日的深夜裡,尋找天上的北極光,
在湖泊上製造音響,由水中的回聲量測水深,
許多人說道爾頓是瘋瘋癲癲的老師,
但是他晚年那一班的八個學生中,後來在科學界都佔有一席之地:
亨利(W.H. Henry)——皇家科學會會員
豪勒金遜(E. Hodgkinson)——傑出工程師
克雷格(S. Clegg)——「瓦斯表」的發明者
威爾(S.H. Ware)——物理學、歷史學與古物鑑定學家
波特(R. Potter)——倫敦大學教授
武德克羅夫特(B. Woodcroft)——「倫敦科學博物館」建立者
與留名在世界上每一本物理、化學課本裡的科學大師,
能量不滅定律的發現者——
焦耳(James Prescott Joule)。

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有缺陷的孩子

一八一八年十二月二十四日,焦耳生於蘇格蘭北部曼徹斯特(Manchester)城的郊外沙弗特(Salford)。他的父親是一個商人,也是一位傑出的音樂家。焦耳五歲時,醫生發現他的脊椎側彎,以後七年他多次在醫院接受矯正,最後仍然失敗,以致焦耳一生站不直。焦耳曾到小學就讀,但是身體的缺陷使他經常被同學戲弄,老師也不喜歡這個害羞、安靜、經常在課本上繪畫塗鴉的學生。父親只好讓焦耳休學,請家教老師在家裡教他。

焦耳經常躺在床上看書,並對父親講:「書本是我最好的旅遊去處」。這一句話讓焦耳的父親想起了「旅遊教師」道爾頓。道爾頓的「原子論」非常有名,他首先提出「所有的物質是由原子組成」,是近代科學發展的里程碑之一。道爾頓經常利用出外郊遊教導學生,在郊遊時他教學生觀察,做實驗、計算實驗所得,並鼓勵學生與他討論。

松樹街的教室

John Dalton
John Dalton

一八三四年,焦耳進入曼徹斯特松樹街(Pine Street),道爾頓的學校就讀。這所學校連焦耳只有八個學生。道爾頓一生未婚,他在這所學校擔任校長、老師兼工友。這所學校成立於一八〇〇年,道爾頓直到一八三七年在中風才停止任教。焦耳是道爾頓培養的最後一批學生。道爾頓中風後,有七年之久,要學生定期回來,在自己的病床邊講最近從事的科學研究給他聽,而且要討論到滿意後才放他們走。

焦耳後來寫道:「道爾頓要求學生要先學三角幾何,並且學習解數學題,因為他說『解數學題是訓練學生專心的最好方法,而專心是培育科學家個性最基本的素養』。如果學生不明白上課所教,道爾頓會發給學生非常清楚的講義,不過道爾頓認為講義是用來鼓勵學生的,不能取代學生自己的探索。」

電到一匹馬

一八三五年,焦耳進入曼徹斯特大學(University of Manchester)就讀,大學期間焦耳還不斷前往道爾頓處學習。大學畢業後,焦耳接續他父親釀酒廠的經營,周六夜裡則到曼徹斯特城聖彼得教堂參加唱詩班。

在道爾頓的指導下,焦耳逐漸走上科學實驗的路。焦耳後來以實驗精確著名,但是他初期學做實驗並不順利。有次在研究回聲測距離時,一不小心,被射出的子彈將眉毛射走一截。有次射擊的反作用力太大,焦耳還掉到水裡。他研究伏特電池時,曾漏電將一匹馬電得搖擺不已,也曾將一個釀酒廠的工人電昏。不過初期的實驗失敗,沒有使焦耳因此就裹足不前,一八三七年他寫道:「一種深深的期待,想在最基本的研究裡,獲得科學的知識。」焦耳逐漸進入基礎研究的殿堂。

「熱」是什麼?這是人類千年來的一個難題,自古人類就知道摩擦生熱,鑽木取火,也知道將鐵加熱後丟入水中,水就變熱,但是一直不清楚鐵器上的熱,如何傳到水中?一七三八年「流體力學之父」伯努利(Daniel Bernoulli, 1700-1782)認為熱是一種流體,這種流體無色、無味、無重量,且能由一個物質移動到另一個物質,他把這種物質稱為「卡路里」(Caloric)。鐵所含的卡路里高,所以溫度較高,鐵遇到冷水時,鐵的溫度變冷,是將卡路里傳給冷水,最後兩者的卡路里趨於一致,卡路里就不移動,這是當時著名的「卡路里理論」。

最早質疑卡路里理論的是美國科學家蘭福勒(Benjamin Thompson Rumford, 1753-1814),蘭福勒在一七九八年為德國監製加農炮,他在炮筒上鑽洞時,發現炮筒溫度不斷地提高,起初他非常擔心,怕炮筒的卡路里不斷地散失到空氣中,炮筒鑄鐵冷卻後可能成為一堆廢鐵。但是炮筒冷卻後功能依然不變,蘭福勒認為炮筒所溢出的熱,不是源自本身所含的卡路里,而是鑽洞時的機械旋轉與炮身鑄鐵的磨擦產生,所以熱是由機械作功轉換來的。蘭福勒後來製造了第一台的「壓力鍋」,不過他的脾氣也像壓力鍋一樣的火爆,別人對他敬而遠之,連帶使他的論點也乏人所知。

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蘭福勒的加農炮實驗

十八世紀末期,工程師瓦特(James Watt, 1736-1819)製造蒸汽機,他用加熱的水產生推動力,將傳統的水力轉成蒸汽機械動力,但是蒸汽機的熱原理仍不清楚。

本質的突破

道爾頓鼓勵年輕的焦耳以「熱的本質」為研究的對象,道爾頓根據「原子論」,他認為熱是原子的運動,熱傳導是原子運動的「能量」由一個物質傳到另一個物質。將熱由傳統的「卡路里」改為「能量」,是近代科學一個極大的突破,但這突破需要有極為精確的實驗去証明。「熱」的改變難以捕捉,需要有一個很有耐心的人去擔負這個任務,焦耳的一生承負了道爾頓老師傳遞過來的一棒。

焦耳的實驗裝置非常簡單,一個高度隔熱的圓筒水槽,水槽裡有二組轉槳,轉槳的上端接到一個旋轉的轉軸,轉軸上有一條鋼索纏繞,鋼索的一端經過一個滑輪,接上掛著一個已知重量的鋼錘,隔熱水槽裡插設一隻極為靈敏的溫度計。實驗的進行是,讓鋼錘自由落下,對旋轉的轉軸產生扭力,帶動轉槳。轉槳在水中與水磨擦產生的熱量,可由水溫的提高測得,將溫度的改變與水的比熱相乘後,焦耳發現單位機械作功所產生的熱量是一個定值,他稱之為「熱功當量」(Mechanical Equivalent of Heat),這是一個從未被發現的常數。

焦耳的實驗
焦耳的實驗

科學突破常在冷門處

一八四二年,焦耳把研究寫成報告,投稿當時最著名的期刊「皇家協會」(Royal Society)的「哲學會報」(Philosophical Transactions),但是審稿委員拒絕刊登這種冷僻的研究題目。當時熱門的研究題目是電磁感應、公共衛生、潮汐發生原因的探討等。焦耳再向「皇家協會會訊」(Royal Society Proceedings)投稿,又被拒絕。他再退而求其次,向「哲學雜誌」(Philosophical Magazine)投稿,審稿委員要求焦耳再多做幾次實驗驗證所得。年少氣盛的焦耳拒絕,他回信道:「任何的機械能量施出,最後都將轉換為熱量,能量不滅的法則有上帝的許可證,這是大自然最重要的法則之一。」這是後來科學史上非常著名「能量不滅定律」(The Principal Conservation of Energy)的前奏。有上帝許可證的,大多不能登上學術雜誌,焦耳又被退稿了。

真正的大師懂得欣賞

焦耳在走投無路之際,鼓起勇氣將這研究報告,連他在一八四〇年的一篇未投之稿,寄給當時的學術泰斗法拉第(Michael Faraday, 1791-1867),這兩篇研究報告在現在的課本裡仍然可以讀到。焦耳在一八四〇年的第一篇研究報告結論:「電流在導線中所產生的熱量,是電阻乘以電流的平方」,後來被稱為「焦耳定律」(Joule’s Law)。不同於其他的審稿人去批評焦耳的實驗缺陷,或某些文字的使用失當,法拉第回信道:

親愛的先生:

我已收到你寄來的文章,並且立刻就看,感謝你對我們衷心所愛的科學,有這麼美好的貢獻,何等的榮耀,我能在一息尚存之際看到你為電學有這一步的跨出,我已看出你的未來會更輝煌!我知道在這領域裡仍有許多朦朧不清之處,你的文章卻如同黎明初曉,我不得不說,你在這自然科學的領域,提供了非常重要的貢獻。

你忠實的朋友,法拉第上
一八四三年三月二十四日於皇家學院

Michael Faraday
Michael Faraday

生產不一樣酒的酒廠

有法拉第的背書,焦耳的這兩篇研究立刻被第一流的學術期刊「哲學會報」所接受。從此,科學界知道有一顆明亮的慧星,升自曼徹斯特的上空。焦耳的父親也看出端倪,他的兒子關心的不是酒桶裡的液體,而是實驗槽加熱的水溫。父親為他蓋了間實驗室,並支持他的實驗耗費。有一些年輕的科學家也利用這實驗室,與焦耳一起從事熱力學與流體力學的實驗,這些科學家後來都非常的有名,如物理學大師史托克(George Gabriel Stokes, 1819-1903),與絕對溫度的提出者凱爾文(或稱為湯姆生)(William Thomson Kelvin, 1824-1907)。凱爾文是焦耳的終生好友,二個人經常聯合發表論文。在科學史上聯名發表論文,是由焦耳與凱爾文開始。凱爾文是數學高手,能更具深度地闡述焦耳的實驗結果。

最早提出世界能源危機

一八四三年,焦耳以蒸汽引擎為研究對象,他發現當時最佳的「可尼斯蒸汽引擎」(Cornish Stream Engines)所產生的熱量換算成作功的機械能量,竟然是引擎實際作功的十倍,因此蒸汽引擎百分之九十的作功能量是以熱的形式浪費掉了,最佳引擎的作功效率只有十分之一,這篇研究報告招致工業界長期的攻擊,甚至到一八六〇年仍有人批評,焦耳只會用引擎作實驗,卻無法製造更高效率的引擎,焦耳對這一切的攻擊都未答辯。他注意的是人類更長遠的危機——「能源枯竭」。當時焦耳就計算英國的煤蘊藏量,推算在一九六五年,英國就會無煤可用,他建議國家要不斷地尋找取得能源的新方式。

好丈夫的溫度計

一八四七年,聖安德得烈大學(St. Andrews University)自然哲學系主任出缺。學校受各方推薦,焦耳成為最佳候選人。他卻拒絕前往任教,理由是:「我要結婚了,無法承受學校永無止境的芝麻問題」。當年八月十八日,焦耳與葛萊姆絲(Amelia Grimes)小姐結婚,而後帶隻靈敏的溫度計與妻子到瑞士渡蜜月。在瑞士,他測定瀑布上方的水流溫度,與瀑布下方的水流溫度,焦耳認為瀑布沖下時的能量改變,會稍微增加水的熱量與溫度,但是在大自然下,還有許多其他的因素會影響水溫。焦耳常在不同的瀑布邊測定很久,葛萊姆絲瞭解丈夫對於研究的熱忱,經常坐在馬車上等待他的歸來。

能量觀點——物理學的大革命

婚後,焦耳更積極地投入熱的研究。一八四七年,他提出「電、磁、光、聲波、化學反應,是不同運動型態的能量。因此根據能量的理論,物理的世界可以更單純的表達出來。」不過這觀念太新了,一直到一八六七年,崔特(Peter Guthrie Tait, 1831-1901)所著的物理學課本,才開始以能量的觀點去描述各種物理的現象。

焦耳愈研究熱的學問,他愈發現經由熱的角度去探索宇宙的奧妙將更清楚。一八四七年,他仔細的計算隕石在大氣摩擦中產生的熱,他發現地球上空大氣層的厚度,剛好能提供足夠的摩擦阻力,將大部分的隕石化成灰塵,保護地球上的生命。焦耳寫道:「這個大自然,機械、化學與生物能量在時、空上不斷的互相影響著,但是宇宙仍然維持著次序,並且清楚、確實地運轉。不管其間有多少能量複雜的變化,宇宙仍是穩定和諧的。」不久,焦耳被歐洲最傑出的學術團體「杜林皇家科學會」(Royal Academy of Science, Turin)選為會員,這個科學會的會員包括傑出的科學家亞佛加厥(Amedes Avogadro, 1776-1856)與拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange, 1736-1813),英國入選的會員只有法拉第,天文學家赫歇爾(William Herschel, 1738-1822)與焦耳三人。

一生難照顧兩種不同的事業

一八五〇年,焦耳入選為英國「皇家協會」的研究員。同年他發表「心臟的動力來自化學能量,使血液在血管中的流動,能夠克服血管對血液的摩擦阻力」。隔年,焦耳發表「純水是可以被電解的電解質」。一八五二年,焦耳與湯姆生共同發表「氣體(二氧化碳)體積膨脹時,會產生溫度降低的效應」,後來這又稱為「焦耳——湯姆生效應」(Joule-Thomson Effect),這是冷凍工業發展的基石。為此皇家協會頒贈焦耳「皇家金質獎章」。這個學術榮譽來的恰是時候。一八五二年,焦耳的父親中風,釀酒廠的工作乏人照顧,生意一落千丈,釀酒利潤再也無法支持焦耳的研究,焦耳轉而向皇家協學申請研究經費。

人生有愛才能走出低谷

一八五三年六月,葛萊姆絲在生了二個孩子之後,第三胎是難產,後來孩子生下來,幾天後就死了。生產時流血過多,葛萊姆絲也瀕臨死亡。這時劍橋大學要聘焦耳任教,焦耳謝絕,他留在妻子的病床邊,直到一八五四年九月妻子病逝。焦耳在照顧妻子的過程中寫下:

「我的焦慮因妻子的安危而起伏,但是她在身體極度的軟弱中,仍顯出寬大的心胸與基督徒對生命任何遭遇的順服,讓我深深的感動,反而成為我在苦難中的安慰。」(一八五四年七月六日記載)。

「我已盡醫生的指示照顧,妻子仍然極度的衰弱,再一次把自己,放在智慧與慈愛的救贖主之手中」(一八五四年七月二十二日記載)。

「她的身體好轉,能起床自己穿衣,我們談論過去一起照顧釀酒廠的點點滴滴,也期待以後一起騎馬在原野上奔馳」(一八五四年八月十日記載)。

「我的妻子染上痢疾,我懷疑這是源自空氣中傳播的毒素。我與妻子每一天的相處比過去一星期的同住收獲更多,若非上帝的保守,三、四天前妻子似已走到生命的盡頭了,看她的狀況,我幾乎絕望了,但是我仍相信與祈求她將會好轉」(一八五四年八月二十五日記載)。

「我世上最好的朋友走了,她將不再有痛苦,她死前是那麼安詳,我知道如今她與主在天上。我也知道死亡的狂飆不會將我擊倒,我相信主必堅固我,並照顧二個幼小的孩子。我彷彿看見死亡的苦毒之上有著荊棘的冠冕,這場試煉將帶著永遠的福祉。」(一八五四年九月九日記載)

照顧的價值

看顧妻子的過程中,焦耳沒有發表任何的研究報告,也未在任何科學集會裡出現,妻子病逝後二年,焦耳在科學界裡仍然消聲匿跡。因為一八五四年十月,克里米亞之戰(Crimea War)開打,英軍死傷累累,焦耳將妻子埋葬後,轉而去照顧由戰地送回來的傷兵,與安慰他們的家屬。直到一八五六年四月克里米亞之戰結束後,焦耳才重返科學界。以後數年,每年焦耳都會帶孩子到海邊渡假,焦耳寫道:「當科學研究成為我沈重的負荷,我格外的需要保留與孩子們在寧靜海灘邊的獨處。我也欣賞海鷗的飛翔速度,牠的翅膀是優美的生物引擎,發揮高度的能量使用效率。」

來自大地,回歸大地

一八五六年,焦耳發表「以攝影技術,研究流體在河底邊界層的摩擦研究」。隔年又發表「從0℃到4℃時水的體積縮小,4℃以上,水的體積又膨脹。水在4℃時,密度最大。」

一八五八年,焦耳發表:「都市污水最好的處理方法,不是直接倒入河川,而是排入土壤表面,成為土地所需的肥料。」當時的科學界認為研究都市污水排放是屬於「低層次」的研究,焦耳卻認為科學研究不分高、低級,而在「有系統的精確觀測」與「正確地思考問題的前提下,才能準確問出該問的問題」。雖然當時大部分的物理、化學學家不屑於污水的研究,但是焦耳認為污水中的肥料是有用的資源,資源取自大地,最好的處置還是回歸大地。

一八五九年焦耳發表「物體在空氣中高速運動時,其表面的散熱作用」。一八六〇年,焦耳以傑出的研究獲選為「曼徹斯特文學與科學會」(Manchester Literary and Philosophical Society)主席,同時擔任聖安娜教會(St. Ann Church)的科學講座。

來自中古世紀的讀書會

「曼徹斯特文學與科學會」成立於一七八一年,是英國最古老的學術團體之一。這個民間的學術團體是源自十五世紀初期,有一批高立吉埃特教會(Collegiate Church)的基督徒,定期相聚討論書籍與知識。一四二七年這些人還成立一間圖書館,這是英語語系國家最早的圖書館。三百多年後,這個相傳多年的討論團體,才組成「曼徹斯特文學與科學會」。道爾頓與「土木工程學之父」司梅敦(John Smeaton, 1724-1792)都是這科學會的會員。四百多年來,科學會的成立一直是曼徹斯特教會社區教育的管道,開設講座,並請傑出的科學家定期發表演講。

焦耳第一次的演講題目是「多元的可居世界」(The Plurality of Inhabited Worlds),焦耳提出:「也許科學家無法證明,其他的星球有沒有生命存在。但是科學家能夠證明其他的星球有沒有適合生命存在的環境:溫度、空氣、水、重力。有適合生命生存的環境,不一定就會有高等生物存在。而要有高等生命存在,就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環境裡。」

科學家的正義感

科學家不懂政治,但是科學家長年求真的學習,對於政治與社會公義是敏銳的。焦耳擔任科學會的主席,就直批工業革命的一些負面現象,他說:「八十年來工業革命的悲哀,就是科學淪為一種市場交易,忽略人性的提昇」。一八六二年美國南北戰爭,雖然曼徹斯特的紡織業受到北方海軍封鎖南方港口的影響,損失不少。焦耳依然力爭「支持北方」。同年他的實驗室遭受一場火災,所有實驗設備全被燒毀,不久有人恐嚇他,要他滾出曼徹斯特。焦耳不為所動。

焦耳重建他的實驗室,繼續發表「高度靈敏氣壓計的製造法」,「以空氣的熱脹冷縮與運動解釋氣候的穩定性」,「暴風雨、冰雹與閃電形成的熱機制」等研究。

催生國家科學會

一八七〇年以後,焦耳就很少發表新的研究報告,他仔細反覆地量測他年輕時所做的研究。為了量得更準確,焦耳研究精密儀器的製造法,並提出「精密儀器是提昇科技教育與知識必需的工具」。焦耳像他的老師道爾頓,晚年全力委身於教育。一八七二年,焦耳向政府建議成立「國家科學會」(Board of Science)。其主要的職責是:提供經費支助教師與民間人士,申請研究經費;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,保存重要的儀器與研究報告;在大學裡設立國家級的實驗室。焦耳並且提出國家科學會的政治立場必須超然,而且研究計畫的資助與經濟發展無關,因為「每當科學研究往前進時,經濟發展自然會跟上」。不過他也建議國家科學會要考核申請者的經費是「為了研究所需,而非無限制的索求」。

一八七三年,經常性的流鼻血,干擾了焦耳的研究能力。焦耳更經常帶著他的孩子與學生到海邊散步,焦耳的學生中,後來最有名的是流體力學大師雷諾(Osborne Reynolds, 1842-1912)。焦耳在海灘散步,他觀察海藻並說:「低等生物對於高等生物有這麼多助益,生物學家卻大刀一揮,將那些生物訂為低等。」有學生問他對演化論的看法,焦耳回答:「達爾文(Charles Darwin, 1809-1882)只是對地球生命的演變程序提出一種理論的說明,不幸的是,許多人要把他的理論訂為生物學的最終理論。達爾文沒有用演化論去講論生命的起源,眾人卻要把演化論扭曲成生命開始的理論。」

末了給學生的一封信

一八八二年,焦耳辭去「曼徹斯特文學與科學會」主席的工作,焦耳用「孩子們年幼嬌嫩,牛羊也正在乳養的時候,若是催趕一天,群畜都必死了。」(創世記33:13),做為他辭職的理由。他把人生最後的精華,慢慢的去培養他的學生,他只擔任科學會圖書館館員的職務,介紹學生們如何使用圖書館。

焦耳病逝於一八八九年十月十一日,死前留下一張紙條,寫著:

「我已感到科學逐漸走向一個危機——科學的誤用。尤其將科學用在戰爭武器的研發,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毀滅性的武器是為了恫嚇對方,終止戰爭。這種看法是不合理的,因為戰爭的本質,只有殘忍與毀滅。研發武器的科學家也無法成為戰爭的決策者,最終只不過是好戰政治家的工具。科學的誤用就是偏離了正確的目標,結果強者愈強,弱者愈弱。我的論點並非貶低以科學研發保衛國家的價值,而是批判靠科學來挑啟爭端。」

末了,焦耳寫道:

「我的學生啊!若有人自認為瞭解歷史上的每一個大小事件,或能夠講出世界上的每一種方言,或能夠準確地敘述每一種形而上的觀念,或能夠解出所有科學與工程的複雜難題,但若是沒有愛,他將不知道如何把這一切所學放在正確的位置上。」

主要參考資料

  1. Cardwell, D.S.L., 1989. James Joule. Manchester University Press. UK.
  2. Thackray, A., 1972. John Dalton: Critical Assessments of His Life and Science. Harvard University Press. USA.
  3. Wilson, D.B., 1987. Kelvin and Stokes: A Comparative Study in Victorian Physics. Adam Hilger. England.

次要參考資料

  1. Gladstone, J.H., 1873. Michael Faraday. Harper & Brothers Publishers. USA.
  2. Gamow, G., 1961. The Great Physicists from Galileo to Einstein. Dover Publications. USA.
  3. Fishbane, P.M., S. Gasiorswicz, and S.T. Thornton. 1993. Physics. Prentice Hall. USA.

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