历史的转折——热动说战胜热质说

热是学生从小就接触的东西，热可以从高温处“流”向低温处，好似水从高处流向低处，学生很可能从类似的生活经验中重犯热质说的错误，把热看作是一种可以流动的物质。为了克服学生这种感性认识上的错误，形成正确的概念，教师向学生讲讲人类探索热本质的历程比直接向学生灌输正确的概念有效得多。另外，通过这一段生动历史的介绍，还有助于学生正确对待科学发展中的错误思想和假说，有助于学生了解科学发展的艰难曲折性，但又不乏戏剧性；有助于打破学生对科学家的迷信感，树立他们献身科学的信心等。 
 
为了达到上述目的，揭示这一段历史对于克服学生感性认识上的错误、形成正确的概念具有突出的教育作用。 
 
一、对热质说的挑战 
 
十七、十八世纪，随着计温学和量热学的发展，使人类对现象的研究走上定量和精密实验的阶段。对于热是什么的问题，当时存在两大观点：一是以培根（Francis Bacon）、胡克（Robert Hooke）、笛卡尔（RencDescartes）为代表的热动说。认为热是物体内部微小粒子的机械运动；一是以布莱克（Joseph Black）、伽桑狄（Pierre Gassendi）等为代表的热质说，认为热是一种可流动的特殊物质（热流体）。 
热质粒子之间相互排斥，但却受到普通物质粒子的吸引，而且不同的普通物质对热流体的吸引力不同，由于热质说非常容易解释当时发现的热现象：热的传寻、对流和辐射，气体的扩散，物态变比，比热和潜热，化学反应热等，甚至对摩擦生热现象也能给出尽管是牵强的解释。也由于当时的热动说缺乏科学实验依据，经过了激烈的争论之后，到18世纪80年代，热质说统领了热学研究的各个领域，当时几乎整个欧洲都相信热质说。 
 
就在热质说的拥护者们张开双臂迎接热质说鼎盛时期的到来的时候，历史却向他们露出了自己戏剧性的面孔。18世纪末和19世纪初的科学研究，伴随着历史世纪的交替，使热质说遇到了麻烦，并且重又引发起一场热动说与热质说的争论，最终导致热动说与热质说在科学界的地位的交替。 
 
1.热缩冷胀现象 
 
按照热质说的观点，热质粒子之间是相互排斥的。因而，物体在吸热时体积一定膨胀，放热时体积一定收缩，但是人们在实践中发现，有少数物质却表现出相反的特性，即“热缩冷胀”，比如，4℃以下的水，铸造铅字的合金等都是如此，热质说对此迷惑不解，但当时热动说对此也提不出合理的解释，因此这个事实在争论中起不到增减砝码的作用。 
 
2．热质是否有重量？ 
 
热若是物质，就应该有重量，这是从当时的机械论得出的结论。因而热质说的拥护者们都十分关切热质的重量这一问题，可惜的是热质说在这一点上是混乱的，玻意耳（Robert Boyle）根据金属焙烧后增重的现象认为热质具有重量；波尔哈夫（H．Bo erhaavee）等人则认为热质是没有重量的；1785年，英国一位医生福迪斯根据水放 
出潜热结冰后增重的事实，认为热质具有负重量。 
 
英国物理学家伦福德（Benjamin Thompson Rumford，1753-1814）重复了福迪斯的实验，发现这位医生的实验结果是错误的，他还做了这样的实验：让等量的比热不同的物质从高温环境移到低温环境，结果尽管两种物质放出的热量不同，但重量仍然相同。由此，伦福德断言：热质是没有重量的，热流体具有粒子的结构却又不可称量，在伦福德看来，这是难以想象的，它成了伦福德攻击热质说的一个缺口。 
 
不过，热质的不可称量性还没有构成热质说的致命弱点，热质说的不少拥护者都承认热质是无重量的。如波尔哈夫，布莱克，拉瓦锡（Antone LaurentLavoisier）等。而且当时“以太”“电流质”“磁流质”等不可称量的物质假说逐步获得了科学界的公认。因而热质的不可称量并不能给热质说致命的打击。 
 
3．摩擦生热现象的进一步研究 
 
摩擦生热是十分普遍的现象，培根等人曾把这一现象作为热动说的重要事实根据之一。可是由于缺乏对摩擦上热现象的实验研究而败在热质说之下。18世纪末的两三年内，伦福德和英国科学家戴维（HumphryDavy，1778—1892）有关摩擦生热现象的实验研究向热质说发起了致命性的挑战。 
 
1797年和1798年间，伦福德做了一系列用钝钻头钻大炮的实验。钻头转动，产生大量的热；随着钻头不停地转动，热几乎可以无穷尽地产生出来，他还把整个实验装置放在一个盛满水的密封的箱子里，结果两个半小时之内水沸腾起来了，伦福德特别注意到热可以陆续不断地产生这一点，他认为能够无限地产生，决不可能是物质实体，在当时，物质守恒不灭的思想已得到科学界的普遍承认，因而伦福德的推理是合乎情理的。最后，伦福德得出结论：除了把热看作“运动”之外，似乎很难把它归结为其他任何东西。1799年，戴维发表了沦文《关于热、光和呼吸的若干研究》，文中记述了一个巧妙的实验：让两块冰摩擦，并使周围的环境温度比冰块温度还低，结果发现冰块慢慢融为水，并且温度升高。在这个实验中，热质不可能从外界获得，冰只能吸收潜热才能变为水，而且冰的比热比水的比热还小，可见，在这个实验中，作为热质说基础的“热质守恒”不再成立了。这在物质不灭科学思想的氛围中，对热质说来讲是致命的打击。 
 
从现在的观点来看，伦福德和戴维的实验摧毁了热质说的基础，给热动说提供了有力的支持。但是，由于这两个实验还比较粗糙，没有找到机械功和热之间的定量转化关系，所以不足以击破人们头脑中根深蒂固的热质说观念，以致于伦福德宣布其实验结果时，被认为违反“常理”。19世纪初的近四十年里，许多著名的科学家仍然以热质说为基础进行热现象的研究。如法国数学家和物理学家傅立叶（Joseph Foruier）根据热质流动的观念建立了热传导理论，卡诺（SadiCarnot）基于热质说创立了理想热机的理论。 
 
二、热的波动说 
 
19世纪初期，除了热质说和热动说之外，人们对热本质还有另外一个假说：热的波动说，这个假说在一般的历史书籍上都未提及，在科学发展的历史长河中也是微不足道的，但对于物理教学来说却具有重要的意义。 
 
19世纪初期，由于赫舍尔（William Herschel）和梅洛尼（Macedonio Melloni）等人的工作，人们已经发现了光的热作用，发现热辐射也显示出反射、折射、干涉和偏振等特性，这使人们想到辐射热和光很可能是同一种现象。由于当时人们还没有找出辐射热和其他形式热的差别，所以人们都接受这样的结论：有关光的本性的任何理论，均适用于一般热。 
 
到了19世纪20年代，由于菲涅耳（Augustin JeanFrerel 1788-1827）和托马斯·杨（Thomas Young1773-1829）等人的研究，光的波动说在科学界占了上风，光被看作是以太中的波动，所以人们相信热也是以太的振动。这就是光的波动说（the wave wtheory ofheat）。可以看出热的波动说中既有“以太”这个物质的概念，又有“振动”这个运动的概念，所以它是热质说和热动说之间的一个过渡性假说，为热质说向 
热动说的转变架起了桥梁。正如安培指出的，如果我们把热质说中的热质和波动说中的以太概念对应起来，把热质说中热质的量和热的波动说中的振动“活力”对应起来，会明显地青出，两个理论处理问题的结果相同，由于热的波动说自身的这一特点，使得它在热质说与热动说的争论中迅速发展起来。 
 
热的波动说虽然与伦福德的热动说理论不一致，却为孱弱的热动说寻找机会发展提供了一只庇护的翅膀，有力地促成了热质说的消亡，它从一个侧面引导人们走向这样的认识：热是能量的一种形式。 
 
人们通过热与光的类比，提出了热的波动说，历史的发展证明这一假说是错误的。通过介绍热的波动说，可以帮助学主认识类比方法乃至所有科学研究方法的局限性。 
 
三、热动说的胜利 
 
随着蒸汽机技术的不断发展和自然科学各领域研究的不断进展，在19世纪40年代前后，人们已经形成了这样的观念：自然界的各种现象间都是相互联系和转化的。人们对热的研究也不再是孤立地进行，而是在热与其他现象发生转化的过程中认识热，特别是在热与机械功的转比中认识热。 
 
德国医生、物理学家迈尔（Rolert Mayer，1814-1878）从1840年起就开始研究自然界各种现象间的转化和联系。在他的论文《与有机运动相联的新陈代谢）中，把热看作“力”（能量）的一种形式，他援引蒸汽机车的例子指出“热是能够转比为运动的力”。他还根据当时的气体定压和定容比热的资料，计算出热的机械功当量值为367kgm／千卡。在论文中，迈尔从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的哲学观念出发，详细考察了当时已知的几种自然现象的相互转化，提出了“力”不灭思想，得出了否认热质和其他无重量物质的结沦：“我们坚决捍卫运动存在的权利，捍卫运动的客观实在性，我们无条件地否认热质和电的实体性……，我们将说出这样伟大的真理：‘不存在没有物质性的物质’。我们充分意识到，这是在同根深蒂固的被奉为经典的极高的权威和假说进行斗争，我们想从关于自然的学说中把无重量的流质同从希腊的上帝那里留下的一切一道驱赶出去”。 
 
能量转化与守恒定律的另一位创始人赫姆霍兹（Hermann Helmholtz 1821-1891），在他的论文《论“力”的守恒》（1947年）中指出，如果在摩擦或吸收作用存在的情况下物理过程发生了能量的损失，那么这要引起出现其他形式的能量，首先是热，作为相应的补偿，他证明了热流质理论是毫无根据的；指出，物体所含的热量，可以看作是热运动的活力（自由热）和在原子的分布发生变化时能引起热运动的原子间的张力（潜热）之和。 
 
1813年，焦耳（James Prescott Joule，1818-1889）在论文《论磁电的热效应和热的机械值》中描述了这样的实验：使一个绕在铁蕊上的小线圈在一电磁体的两极间转动，用一个类似正切电流计的仪器测量线圈中的感应电流，把线圈放进一个盛水的量热器里以测定水温升高所获得的热量。实验得出结论：磁电机的线圈所生成的热量正比于电流的平方。这个实验否定了热质观念，因为实验中电路是封闭的，水温的升高完全是由于机械能转化为电，电又转化为热的结果，而不是由于热质从电路的这一部分输送到另一部分所致。在随后的三十多年时间内，焦耳一直进行着类似的实验，并测出热和机械功的当量值为123.85kgm/千卡。有力地支持了热动说。 
 
总之，到了19世纪四十年代末，随着能量转化与守恒定律的逐步确立，把热看作物质的一种特殊形态的热质说已无再继续存在的理由，热被看作能量（或者说运动）的一种特殊形式，为热动说的胜利奠定了基础。但是，当时的科学家如迈尔并没有作出“热现象能够直接看作运动的现象”这样的结论，原因在于为了理解热的真正本质，我们所需要的资料——原子本身为对象的研究资料，还并不存在。 
 
19世纪五十年代以后，人类对热的认识走上了科学热动说的正确道路，热不是某种特殊物质，而是能量的一种形式，它可以转变为其他形式的能量，特别是热和机械运动之间的相互转化，表明了热能只不过是物质内部粒子的机械能，这个论断使得分子动理论的思想得到了复兴和发展。19世纪初，化学领域内原子论和分子概念的确立也有力地促进了分子动理论在物理学领域内的复兴。从此，培根、笛卡儿等热动论者所谓的“物质内部微小粒子”终于找到了科学概念的对应点——原子或分子。随着人们对物质微观结构认识的逐步深入，最终形成了对热的正确科学的认识：热是大量物质分子的无规则运动。 
 
纵观近代以来科学对热本质的探讨历程，可以分为三个阶段：第一阶段是18世纪末以前，在这一阶段，科学基本上把热现象作为孤立的现象加以研究，主要是收集经验资料和对资料进行分类，以此为依据对热本质进行唯象的推测，研究缺乏科学实验依据，因而使得热质说。这个比热动说更简单直观的假说处于优势地位；第二阶段是19世纪前半叶，在这一阶段，科学研究的特点与重心在于以相互联系与转化的观点研 
究自然现象。科学把热看作是可向其他形式转化的能量或是运动的一种形式，有力地支持了热动说；第三阶段是19世纪50年代以后，科学研究走上了科学热动说的正确道路，逐步从微观层次上揭示出热本质，这一阶段研究的重点重又转移到热现象本身上来，但是第三阶段和第一阶段比较起来，并不是简单的研究对象的回复，第三阶段对热现象的研究有了能量转化和守恒定律与分子动理论作为研究基础和指导。 
 
人类对热本质探讨的曲折过程告诉我们：一要正确对待历史上错误的假说，历史上错误的假说是有其存在的历史原因的，它与人类当时的理论认识水平和实践认识水平相一致，热质说把映象当作了原形（恩格斯语），但它更适合于当时自然科学家们机械论的、形而上学的思维方式，所以是物理学发展难以绕过的阶段。只有到了科学发展到一定阶段，错误假说逐渐暴露出其缺点，才会逐渐被新的假说所代替；二是科学发展是一个艰苦曲折的过程，仅就18世纪末开始来说，热质说尽管在不断暴露其弱点，但热动说战胜热质说也经历了近半个世纪的历史；三是要善于接受有创见的新思想、新学说，勇敢果断地抛弃在实践中已经显出破绽的观念，反对把一个阶段上的认识当作“终极真理”。 
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例如民国的通礼是鞠躬，但若有人以为不对的，就独使他磕头。民国的法律是没有笞刑的，倘有人以为肉刑好，则这人犯罪时就特别打屁股。碗筷饭菜，是为今人而设的，有愿为燧人氏以前之民者，就请他吃生肉；再造几千间茅屋，将在大宅子里仰慕尧舜的高士都拉出来，给住在那里面；反对物质文明的，自然更应该不使他衔冤坐汽车。这样一 办，真所谓“求仁得仁又何怨”，我们的耳根也就可以清净许多罢。

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