物理学的进化-第4部分

快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部! 如果本书没有阅读完，想下次继续接着阅读，可使用上方 "收藏到我的浏览器" 功能 和 "加入书签" 功能！

的一个分支部门里所发展起来的一种思想方法往往能够用来解释表面上完全不同的结果。在这种过程里，原来的概念往往须加以修改，才能帮助我们既可理解这个概念得以产生的那些现象，也可理解目前正有待于这个概念来解释的那些现象。
用来描述热现象的最基本的概念是温度和热，在科学史上经过了非常长的时间才把这两种概念区别开来，但是一经辨别清楚，就使科学得到飞速的发展。虽然这两个概念现在是每个人都熟悉了，我们仍把它们细致地加以考察，并且着重地指出两者的区别。
我们的触觉会很清楚地告诉我们，一个物体是热的，而另一个物体是冷的。但是这纯粹是定性上的判断标准，还不足以作定量的描述，而且有时甚至会含糊不清。这已经从大家所熟知的一个实验中得到证明：设有三个容器，一个装冷水，一个装温水，一个装热水。如果我们把一只手浸入冷水内，而另一只手浸入热水内，那么我们得到的感觉是：第一个容器里的水是冷的，而第二个容器里的水是热的。如果随后我们把这两只手同时浸入到温水里，那么两只手得到的两种感觉是相互矛盾的。同样的道理，如果一个北极国家的居民和赤道国家的居民于春季时在纽约会面了，他们对于天气是冷是热也持有不同的意见。我们用温度计来解决所有这些问题，最早期的温度计是伽利略（又是那个熟悉的名字！）所设计的。温度计的使用是以某些明显的物理学假说为基础的。我们可以引用大约在150年以前布勒克（Black）的讲义中的几行文字来温习一下这些假说，他在消除热和温度这两个概念含混在一起的困难问题上有很大的贡献：
由于应用了这种仪器，我们发现，假如我们取1000种甚至更多的不同种类的物质，例如金属、石子、盐、木、羽毛、羊毛、水和各种的液体，把它们一起放在一个没有火和没有阳光照射进去的房间内，虽然它们原来的热都各不相同，在放进这个房间以后，热会从较热的物体传到较冷的物体中，经过几个小时或一天以后，我们用一个温度计把所有这些物体一一检查过来，温度计所标出的度数都是相等的。
引文中有一个下面加点的“热”字，按照现代的术语，这个字应该用温度来代替。
一个医生从病人口中把温度计拿出来，他可以作这样的推理：“温度计用它的水银柱的长度指示出温度。我们假定水银柱长度的增加是与温度的增加成正比例的。但是温度计和我的病人接触了几分钟，所以病人和温度计具有相同的温度。因此我推断我的病人的温度就是温度计上所记录的那个温度。”医生也许只是在做无意识的工作，然而他没有想到他已经在运用物理学的原理了。但是一个温度计所包含的热量是不是和一个人的身体所包含的热量一样呢？自然不是。如果因为两个物体的温度相等，便认为它们的热量也相等，像布勒克所指出的，这是把问题看得太马虎了。这是把不同物体中热的量和热的一般强度或集度相混了。很明显，这是不同的两件事，在研究热的分布时，我们应当经常加以区别。只要考察一个很简单的实验，我们就可以理解这种区别。把1千克水放在一个火焰上加热，要使它的温度从室温改变到沸点需要一些时间。如果同一个容器装上12千克水并且用同一个火焰来加热，要使它达到沸点，那么，需要的时间就多得多了。我们把这个论据解释为现在需要更多的“某种东西”，而这个“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。一个容器中装1千克水，而另一个容器装1千克水银，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1摄氏度所需要的“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1摄氏度，例如从4摄氏度加热到5摄氏度，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。
一旦有了热的概念，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
较高的水位——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，用一些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，就像力学中的质量一样。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，整个系统的热量也是守恒的，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熔化冰或把水变成汽，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一块冰冷的铁重一些呢？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力的物质。“热物质”通常被称为卡路里，这是我们认识一整族没有重力的物质中最先认识的一种。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，即使看作一种没有重力的物质也不能够。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，摩擦影响了木头并改变了木头的性质。木头的性质很可能是这样被改变了，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，而不是改变了热的总量。”
在目前的讨论阶段来和一个物质论的拥护者辩论是无益的，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。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。同一种类的两个物体，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（Count
Rumford）所完成的，它给予热的物质论一个致命的打击。
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索自然界的一些最奇妙的作用的机会，而且常常可以不必花多少精力和经费，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。
我常常有机会进行这一类的观察，并且我深信，只要养成一种习惯，时常去留心日常生活中所发生的一切事情，那么往往会引起有益的怀疑和研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，有的是在思索极普通的现象时所进行的遥想中发生的。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（像我用实验所证实的，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？
它是由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”。
但是这样的变化不会发生。因为我发现：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的重力取成相同，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相同，例如在15．3摄氏度（约华氏59．5度）。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乎是无穷无尽的。
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。因此像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，然后自由释放，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，使乘客有惊心动魄的快感。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。
对于这个理想实验，我们可以想象有人能将始终与运动一起出现的摩擦全部加以消除。他决定用这一新发明来建造一个升降滑道，并且探究建造这个滑道的方法。小车从起点开始一上一下地运动，假定起点离地面30米。通过多次试验和改正错误，不久他知道他必须遵从一个简单的规则：他可以按照自己的意愿把轨道建成任何形式的线路，但是有一个条件，不能有一点比起始点高。如果小车能够自始至终没有摩擦地运动，那么在整个行程中，他想要把轨道达到30米的高度无论多少次都可以，但决不能超过这个高度（图18）。在实际的轨道上，由于摩擦的关系，小车永远不能到达起始点的高度，但是这里工程师的假想并不需要考虑这一点。
我们来研究理想小车从理想滑道的出发点开始向下滚的运动。当它运动的时候，它离开地面的高度减小了，但它的速率却增加了。乍一看来，这句话使我们想起小学语文课中的句子：“我没有一支铅笔，但你有6个橘子。”可是这句话并不那么笨拙可笑。我没有一支铅笔跟你有6个橘子之间并没有任何联系，但是小车离地面的高度跟它的速度之间却存在着很真实的关系。如果我们知道它当时离地面多高，我们就可以在任何时刻准确地计算它的速率。不过这个说法具有定量的性质，最好用数学公式来表示，因此我们在这里只好把它撇开不谈。
小车在滑道的最高点上的速度为零而其离地面的高度为30米，在最低点则离地面的高度可能是零而速度最大。这些论据可以用另一些术语来表达：在最高点小车具有势能而没有动能，在最低点小车具有最大的动能而没有任何势能。在所有的中间位置上，既有速度又有高度，所以小车既有动能又有势能。势能随着高度的增大而增加，而动能则随着速度的增大而增加。力学的原理足以解释这种运动。在数学上有两种描述能量的表达式，其中每一种能量都可以改变，而它们的和保持不变。这样我们就可能用数学方法严格地介绍与位置有关的势能的概念和与速度有关的动能的概念。自然这两个名称的引用是随意的，并且只是为了方便而已。这两个量的和保持不变，称为运动恒量。动能和势能加起来的全部能量，举例来说，可以跟总数不变的钱相比，它们不断地按照固定的兑换率由一种货币兑换成另一种，例如由英镑兑换成美元，再由美元兑换成英镑。
在实际的升降滑道（图19）中，虽然摩擦力使小车不能重新达到像出发点那样的高度，但是仍发生动能和势能之间的不断转换。这里它们的总和却不是不变，而是逐渐地减小了。现在必须再作出一个重要且大胆的步骤才能把运动的力和热的两个方面联系在一起。这一步骤所得出的结果和推广的意义在后面将会看到。
现在，除了动能和势能以外，又牵连进另外一种东西来了，这就是摩擦所产生的热。这种热是否相当于机械能的减小，即动能和势能的减少呢？一个新的猜测已经摆在我们的眼前了。如果热可以被看作是能的一种形式，那么也许这三种能即热能、动能和势能的总和是保持不变的。不是单独的热而