多得多了。我们把这个论据解释为现在需要更多的“某种东 西”,前这个“某种东西”我们称之为热。 从下面的实验中得出了一个更重要的概念—比热 个容器中装一公斤水,而一个容器装一公斤水银,将它们用 同样的方式加热。水银热起来要比水快得多,这表明把水银 的温度升高一度所需要的“热”较少。一般地说,把质量相等 的不同种类的物质如水、水银铁、铜、木等加热一度,例如从 摄氏四度加热到五度,它们所需的“热的量是不同的。我们 说:每一种物质都有它独自的热容量或比热。 且有了热的概念,我们就可以更细致地研究它的本性 了。设有两个物体:一个是热的,另一个是冷的,或更确切地 说:一个物体的温度比另一个高些。我们使它们进行接触,并 使它们不受到任何外界影响,我们知道,最后它们会达到同样 的温度。但是这个情况是怎样发生的呢?从它们开始接触起到 它们达到同样温度的时间里,究竟发生了什么呢?我们可以在 脑海中想象这么一个图景:热从一个物体流向另一个物体,正 如水由较高的水位流向较低的水位一样。虽然这个图景似乎 很原始,但它跟很多的论据相符,因此可以提出这样的类比 水——热 较高的水饣—较高的温度 较低的水位-较低的温度 流动一直要继续到两个水位,也就是说,两个温度,相等时才 停止。这个朴素的观点在定量的考察上更有用处。如果把各 自有一定质量和一定温度的水和酒精混合起来,那么知道了 比热,就能预言混合物的最后的温度。反之,只要观察到最后 的温度,用一点儿代数知识就可以求出这两个比热的比率。 我们看到,这里所出现的热的概念,和其他的物理学概念
有相似之处。根据我们的观点,热是一种物质,就象力学中的 质量一样。它的量可以改变,也可以不改变;正如钱一样,可 以储存在保险柜里,也可以花掉。只要保险柜始终锁着,柜里 面钱的总数就始终保持不变;和这一样,一个被隔离的物体中 的质量的总数和热的总数也是不变的。理想的保温瓶就和这 样的保险柜类似。而且,在一个孤立系统中,热即使从一个物 体流向另一个物体,整个系统的热量是守恒的;这正和一个孤 立系统即使发生了化学变化它的质量也保持不变一样。热即 使不是用来提高物体的温度而是用来溶化冰或把水变成汽, 我们仍然可以把它想象为物质,因为只要把水冻结为冰,或把 汽凝为水时,又可以重新得到它。溶化潜热或汽化潜热这一 类的旧名称都表明了这些概念是由于把热想象为一种物质而 产生出来的。潜热是暂时潜伏,正如把钱存放在保险柜里,如 果有人知道开锁的办法,就可以把它拿出来用。 但是热肯定不是一种与质量有相同意义的物质。质量是 可以用天平来测定的,而热怎样呢?一块赤热的铁是不是比它 在冰冷的时候重一些呢?实验证明并不如此。如果热是一种 物质,那么它应该是一种没有重量的物质。“热物质”通常被 称为卡路里;这是我们认识一整族的没有重量的物质中的最 先认识的一种。以后我们还将有机会研究这一族的兴起和衰 落的历史,目前只要注意这一种无重物质的诞生就够了。 任何一种物理学理论都要将现象的范围解释得愈广愈 好。只要它使得各种现象能被理解,就证明它是正确的。我 们已经知道物质论解释了许多热现象。但是很快就会明白, 这又是一个错误的线索。热不能看作是一种物质;即使看作 种没有重量的物质,也不能够。我们只要回想一下标志着 人类开化初期的几个简单的经验便能明白这一点
我们把物质看作是一种既不能创造也不能毁灭的东西。 但是原始人用摩擦的方法创造出足够的热用来点燃木材。用 摩擦生热的例子实在太多、太熟悉了,因而不必再一一列举。 在所有这些例子中都创造出一些热量,这是一件很难用物质 论来解释的事情。诚然,这个理论的拥护者还会想出一些论 证来解释这件事情。他的推理可能是这样的:物质论可以解 释表观上的热的创生。举一个最简单的例子:拿两块木头来 相互摩擦。摩擦影响了木头并政变了木头的性质。木头的性 质很可能是这样被改变的,即热的量并不改变而能产生较前 为高的温度。总之,我们见到的只是温度的升高。可能是摩 擦改变了木头的比热,而不是改变了热敏总量”。 在目前的讨论阶段来和一个物质论的拥护者辨论是无益 的,因为这件事只能通过实验来解决。我们设想有两块各方 面完全相同的木头,并且设想用不同的方法使这两块木头发 生同样的温度改变:例如,一种是用摩擦的方法,而另一种是 让它与放热器接触。如果两块木头在新的温度下有相同的比 热,那么整个物质论就被推翻了。我们有好多测定比热的简 单方法,而这个理论的命运正取决于这些测量的结果。在物 理学史上通常有一些试验能宣判一个理论的生死,这种试验 称为判决试验 nt)。评价一个实验所具有的 判决意义只能从提出问题的方式上得到启示,而且只是讨论 现象的一种理论才可以用这种实验来判断。同一种类的两个 物休,一个用摩擦的方法,另一个用传热的方法使它们都达到 相同的温度,然后测定它们在这个温度下的比热,这就是判 决试验的一个典型例子。这个实验是大约在150年前由伦福 德①所完成的,它给予热的物质论一个致命的打击。 ① Count rumford
现在根据伦福德的笔记将经过情况引述如下 在人们的日常事务和工作中往往会提供他们思素自然界的一些最 奇妙的作的机会;而且常常可以不必化多少精力和经费,只要利用工 业生产上仅为完成生产任务而设计的机械就可以进行非常有意义的科 学实验。 我常裳机会作这一类的观察,并且我深信,只要养戎一种习惯, 时常去留心日常生活中所发生的切事情,那么往往会引起有益的怀 疑和斫究与改进方面的意义深远的打算。这些情况有的是突然发生的, 有的足在思索极背通的现象时所进行的飘逸的遐想中发生的。这样所 引起的怀疑和研究改进的机会,比那些整天坐在书室里专门从事科学 研究的哲学家作全神苦思时所能引起的还会多些。 最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现,铜炮 在钻了很短的一段时间以后,就会发生大量的热;而被钻头从炮上钻出 来的铜屑更热(象我用实验所证实的,发现它们比沸水还要热 在上述的机械动作中真实地产生出来的热是从哪里来的呢? 它是庄钻头在坚实的金属块中钻出来的金属屑所供给的吗? 如果真是这样,那么根据潜热和热物质的现代学说,它们的热容量 不仅要变而且要变得足够的大才能解释所产生的全部的“热”。 仨是这样的变化不会发生。因为我发现到:把这种金属屑和用细 齿锯从同一块金属上锯下来的金属薄片使两者的重量取成相同,并把 它们在相同的温度(沸水的温度)下各自放进盛有冷水的容器里去,冷 水的量和温度也取得祁同(例刘在华氏59.5°);放金属屑的水看起来并 不比放金属片的水热些或冷些。 最后,我们来读伦福德的结论 在推敲这个问题的时候,我们一定不能忘记考虑那个最显著的情 况,就是在这些实验中由摩擦所生的热的来源似是无穷尽的。 不待说,任何与外界隔绝的一个物体或一系列物体所能无限地连 续供给的任何东西决不能是具体的物质;并且,如果不是十分不可能的 话,凡是能够和这些实验中的热一样地激发和传播的东西,除了只能把
它认为是“运动”以外,我似乎很难构成把它看作为其他东西的任何明 确的观念。 这样一来,我们看到旧的理论是崩溃了,或者说得更严格 些,我们认识到物质论不适用于热流的问题。因此象伦福德 所指出的那样,我们得重新寻找新的线索。要做到这点,我们 暂且丢开热的问题,再回到力学上来。 升降滑道 我们来研究一下游乐场中升降滑道上的运动。把一辆小 车吊上或开到轨道的最高点。当一下把它放松,它就开始在 重力的作用下朝下滚去,随后它沿着一条形状古怪的曲线上 升下降,因为速度的突然改变,使乘客受到惊心动魄的快感。 轨道有一个最高点作为出发点。在小车运动的整个过程里 它决不能再达到出发点的高度。把运动作一番全面的描述是 非常复杂的。从一方面来说,这是一个力学的问题,因为这里 存在着速度和位置对时间的变化。另一方面有摩擦,因而在 轨道和车轮上要产生热。把这个物理过程分成这两个方面的 主要理由是使得有可能应用以前所讨论过的概念。这样一分, 便得到一个理想实验,因为一个只表现力学方面的物理过程 是只能想象而不能实现的。 不 图18