死力与活力

能量守恒定律在今天之所以受到重视，是因为它来之不易。我们在能量概念的现代化理解之旅中经历了许多有趣的周折。这是一个长达200年的探究故事，向我们讲述了在系统中究竟什么是始终守恒的。

从古以来，我们就一直对“热”这个概念充满好奇。早在16世纪，英国哲学家弗兰西斯·培根（Francis Bacon）就论述过这样一个观点：物体含有“热”，而且“热”与物体中那些小到肉眼看不见的组成部分的运动有关。培根是最早认识到“热”与小分子运动有关的人之一，尽管他对“胡椒、芥末和葡萄酒是热的”的观察可能表明他还没有发现一个重要的物理定律。弗兰西斯·培根被称为实验哲学之父，据说他的唯一一次科学实验是把雪填进一只鸡的肚子里，不久后，他就因感冒去世了。

火成就了人类，化石燃料促使我们变得现代化，然而我们现在需要一种安全、有保障、可持续发展的新能源。

——埃默里·洛文斯

紧随其后的法国哲学家勒内·笛卡儿（René Descartes）将世界理解为由三种不同黏度（液体浓度）的物质组成：火、气和土。荷兰哲学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）观察到，当物体碰撞时，他称之为calculatrix的东西是守恒的。calculatrix可不是来自《阿斯泰利克斯历险记》（Asterix）的人物，它实际上是一个与我们现代动能概念有关的物理量。

当守恒的概念与力的概念联系起来时，我们向前迈出了一大步。德国数学家戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）通过他的活力（vis viva）和死力（vis mortua）理论探索了一个动力的世界，以及动能和势能之间的区别。艾萨克·牛顿通过他著名的运动定律给了我们现代力学的概念，尽管这还不是一个完善的“能量观”。两个早期的德国炼金术士约翰·贝歇尔（Johann Beche，可能是第一个构想隐形斗篷的人）和他的同事格奥尔格·施塔尔（Georg Stahl），认为物体含有一种叫作燃素（phlogiston，来自希腊语phlog或phlox，意为“火焰”）的可燃物质[2]。被称为临床医学教学创始人的荷兰医生赫尔曼·布尔哈夫（Herman Boerhave）后来重拾物体含有火微粒的想法，并认为热是与电、磁和弹性并称的四种不可见流体之一。瑞士数学家和物理学家丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）是数学史上伟大的伯努利家族的成员，其著名的方程式与飞机机翼的物理学相关。后来，他进一步思考，把我们从物质与系统中含有神秘的死力与活力的世界观，转变为首个真正以能量为基础的世界观。他的工作进一步巩固了动能、势能和总机械能的概念。

物质具有与热、力或功相关的特性的概念是同时发展的。在19世纪，索尔福德的酿酒师之子詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）是首批精准计算热功之间的当量关系的人之一。在伟大的蒸汽时代，用更少的热做更多的功，给工业革命提供动力，既关乎资本主义与经济，同样也关乎人们对自然的哲学洞见。

要产生使1磅水（约0.45千克）升高1华氏度（约0.56摄氏度）的热量，需要耗用772磅（约350千克）重物下降1英尺（约0.3米）的机械功。

——詹姆斯·普雷斯科特·焦耳

图1-2 热功当量实验

在曼彻斯特附近的布鲁克兰公墓中，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的墓碑顶部骄傲地刻着数字772.55。他在1878年著名的热功当量的测量中——这是同类实验中最精确的测量——发现把772磅重的物体水平升高1英尺所做的功可以在海平面把1磅水的温度从60°F提高到61°F（约15.5°C~16.1°C）。用于测量的桨叶轮实验用具看起来就像是一台早期的木制冰激凌制造机。桨叶轮实验早期的著名成果由英国皇家学会于1850年发表，实验结果推翻了“热效应是由一种称为热量的流体的作用引起”的传统科学观点，并确立了能量守恒定律的普遍性，即热力学第一定律。