科普园地 | 被埋没良久的的科学发现——能量守恒定律

能量守恒定律，几乎是最重要最基本的物理定律，与细胞学说、进化论被合称为19世纪自然科学的三大发现。而能量守恒定律的首次公开提出，却出自于一个德国的“疯子”医生——J•R•迈尔（Julius Robert Mayer，1814～1878）。

图1：迈尔（图片来源：百度百科）

迈尔年轻时是荷兰轮船上的一名随船医生，在船上负责给别人治病。那个年代的治病方法主要是靠放血。在一次驶往印度尼西亚的航行中，迈尔给生病的船员做手术时，发现血的颜色比在欧洲时新鲜红亮。那个年代的人已经知道血液鲜红程度是取决于血液中的含氧量，含氧越多，颜色就越鲜红，所以迈尔就猜测，人们吃进去的食物以燃烧的方式产生身体需要的热，而在赤道地区比较温暖，所以身体不需要那么多的氧参与燃烧来维持体温，于是在血液中保留了更多的氧，颜色就更鲜红了。

图2：人体保持恒温（图片来源：百度百科）

迈尔就开始思考，人身上的热量到底是从哪来的？顶多500克的心脏，它的运动根本无法产生如此多的热，无法光靠它维持人的体温。那体温是靠全身的血肉维持的了，而这又靠人吃的食物而来。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。太阳的光热呢？太阳如果是一块煤，那么它能烧4600年，这当然不可能，那一定是别的原因了，是未知的能量了。他大胆地推出，太阳中心约2750万度（现在我们知道是1500万度）。迈尔越想越多，最后归结到一点：能量是如何转化的？

他想，如果食物的能量转化为人体的热和人体活动之类的其他能量，热能变成动能，动能可以转换成热吗？在航行中他也注意到，被反复拍击的海水的温度比平静的海水温度要高一些。航行结束后，他设计了实验来验证这些猜想。他最初的实验是用一个大桶装满了纸浆，然后让一头驴拉着一个搅拌器绕着大桶转，看看纸浆经过搅拌之后温度会不会升高呢？实验中，他发现温度确实升高了。后来，为了得到定量的结论，他把实验又精细化。在水缸里头放一个搅拌器，搅拌器跟旁边滑轮上的铅块连在一起。铅块上下运动，带动搅拌器搅拌水。铅块运动的距离用旁边的尺子进行测量，水的温度用温度计进行测量。这样他找到了铅块的势能与水吸收的热能之间的对应关系：铅块在大约360米的高度具有的重力势能会让同样质量的水升高1摄氏度。这个结果第一次将能量的转化进行定量化，具有跨时代的意义。

图3：迈尔的实验装置示意图（图片来源：百度百科）

图4：熊熊燃烧的太阳（图片来源：百度百科）

在科学工作上得不到承认，迈尔感到沮丧和苦恼，又加上两个儿子都因病夭折了，也给他带来了巨大的痛苦。此外，1848年德意志南部各邦爆发革命期间，他曾被起义军作短期拘留，在经济和精神上又受到了打击，再加上与他投身革命的哥哥弗里茨之间的不和与疏远等等所有这些事件最终导致了他的精神崩溃。他选择跳楼自杀，结束自己的生命。

等他清醒之后，又开始纠结他发现的能量守恒定律。当时医生听到他这些说法，就开始怀疑，这个人不仅肉体被摔伤，可能精神上也有问题。所以刚出了医院，他又被送进了精神病院。直到1853年迈尔才恢复自由。

1845年，远在千里之外的英国物理学家焦耳，做了和迈尔类似的实验，得出结论：导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比，与电流强度的平方成反比。这就是著名的焦耳定律。之后，焦耳又通过多个实验证明：在一个体系中能量总是守恒的。焦耳定律提出后，德国科学家赫姆霍兹也从“永动机不可能实现”这一事实入手，通过大量研究，第一次以数学方程的形式提出能量守恒原理。他还严密论证了热现象、电现象、化学现象与机械力的关系，并出版成名专著《论力的守恒》，将能量守恒与转化原理的研究推向高潮。

图5：焦耳测定热功当量的实验装置（图片来源：百度百科）

实验中心演示实验室的能量穿梭机装置，有各种转轮、轨道和传送装置。小球被传送到装置的顶端之后，由于重力势能的释放，沿着特制的轨道，或急冲直下，或缓缓平滚，或盘旋而下，或逆势上扬，或跳跃前行，以多种姿态在运动中完成声、光、电等能量的转换过程。让我们在小球的精彩表演中结束本文，并对追求真理的科学家前辈们表达深深敬意。