死力與活力

能量守恒定律在今天之所以受到重視，是因為它來之不易。我們在能量概念的現代化理解之旅中經歷了許多有趣的周折。這是一個長達200年的探究故事，向我們講述了在系統中究竟什么是始終守恒的。

從古以來，我們就一直對“熱”這個概念充滿好奇。早在16世紀，英國哲學家弗蘭西斯·培根（Francis Bacon）就論述過這樣一個觀點：物體含有“熱”，而且“熱”與物體中那些小到肉眼看不見的組成部分的運動有關。培根是最早認識到“熱”與小分子運動有關的人之一，盡管他對“胡椒、芥末和葡萄酒是熱的”的觀察可能表明他還沒有發現一個重要的物理定律。弗蘭西斯·培根被稱為實驗哲學之父，據說他的唯一一次科學實驗是把雪填進一只雞的肚子里，不久后，他就因感冒去世了。

火成就了人類，化石燃料促使我們變得現代化，然而我們現在需要一種安全、有保障、可持續發展的新能源。

——埃默里·洛文斯

緊隨其后的法國哲學家勒內·笛卡兒（René Descartes）將世界理解為由三種不同黏度（液體濃度）的物質組成：火、氣和土。荷蘭哲學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）觀察到，當物體碰撞時，他稱之為calculatrix的東西是守恒的。calculatrix可不是來自《阿斯泰利克斯歷險記》（Asterix）的人物，它實際上是一個與我們現代動能概念有關的物理量。

當守恒的概念與力的概念聯系起來時，我們向前邁出了一大步。德國數學家戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）通過他的活力（vis viva）和死力（vis mortua）理論探索了一個動力的世界，以及動能和勢能之間的區別。艾薩克·牛頓通過他著名的運動定律給了我們現代力學的概念，盡管這還不是一個完善的“能量觀”。兩個早期的德國煉金術士約翰·貝歇爾（Johann Beche，可能是第一個構想隱形斗篷的人）和他的同事格奧爾格·施塔爾（Georg Stahl），認為物體含有一種叫作燃素（phlogiston，來自希臘語phlog或phlox，意為“火焰”）的可燃物質[2]。被稱為臨床醫學教學創始人的荷蘭醫生赫爾曼·布爾哈夫（Herman Boerhave）后來重拾物體含有火微粒的想法，并認為熱是與電、磁和彈性并稱的四種不可見流體之一。瑞士數學家和物理學家丹尼爾·伯努利（Daniel Bernoulli）是數學史上偉大的伯努利家族的成員，其著名的方程式與飛機機翼的物理學相關。后來，他進一步思考，把我們從物質與系統中含有神秘的死力與活力的世界觀，轉變為首個真正以能量為基礎的世界觀。他的工作進一步鞏固了動能、勢能和總機械能的概念。

物質具有與熱、力或功相關的特性的概念是同時發展的。在19世紀，索爾福德的釀酒師之子詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）是首批精準計算熱功之間的當量關系的人之一。在偉大的蒸汽時代，用更少的熱做更多的功，給工業革命提供動力，既關乎資本主義與經濟，同樣也關乎人們對自然的哲學洞見。

要產生使1磅水（約0.45千克）升高1華氏度（約0.56攝氏度）的熱量，需要耗用772磅（約350千克）重物下降1英尺（約0.3米）的機械功。

——詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

圖1-2 熱功當量實驗

在曼徹斯特附近的布魯克蘭公墓中，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的墓碑頂部驕傲地刻著數字772.55。他在1878年著名的熱功當量的測量中——這是同類實驗中最精確的測量——發現把772磅重的物體水平升高1英尺所做的功可以在海平面把1磅水的溫度從60°F提高到61°F（約15.5°C~16.1°C）。用于測量的槳葉輪實驗用具看起來就像是一臺早期的木制冰激凌制造機。槳葉輪實驗早期的著名成果由英國皇家學會于1850年發表，實驗結果推翻了“熱效應是由一種稱為熱量的流體的作用引起”的傳統科學觀點，并確立了能量守恒定律的普遍性，即熱力學第一定律。