一个没有学历和文凭的科学家，是如何被写进教科书的(2)

　　风云人物

　　那些年，没有学位的焦耳四处碰壁，很不得意。不知什么缘故让他鼓起勇气，将自己的研究报告寄给了学术泰斗迈克·法拉第（Michael Faraday， 1791-1867）[1]。1843 年 3 月 24 日，慧眼识真金的法拉第回信了，高度地评价了焦耳的工作：“。。。我知道在这领域里仍有许多朦胧不清之处，但你的文章却如曙光破晓。我不得不说，你在自然科学的这个领域做出了非常重要的贡献。”

　　于是，焦耳关于能量转换和守恒的研究论文被《皇家学会学报》接收发表。科学界从此知道，圈子里来了一位二十多岁的新星，他建立了热力学第一定律也就是能量守恒定律，证明了电和热之间的能量转化满足总量守恒关系，那是自然界中的一个普适的基本规律。

　　接下来，焦耳还试图弄清楚机械能和热的定量关系。1842 年，德国医生、化学家和物理学家罗伯特·冯·迈耶（Julius Robert von Mayer，1814-1878）在《化学与药学年鉴》（Annalen der Chemie und Pharmacie）发表了一篇论文，指出单位机械功所产生的热量是一个常数，不过他没能给出这个常数的数值。1843 年，焦耳在不知道上述德文文章的情形下，在家中的地窖里独立地做了一个成功的压缩气体加热的实验，以及一个十分精确的机械运动生成热的实验。

　　在这个实验中，他让钢锤自由落下，驱动中间的转轴从而带动容器水中的旋桨转动。他通过对水温的升高来测得旋桨与水磨擦而产生的热量。然后，他把温度的改变与水的比热相乘，便得到一个数值。反复实验之后，焦耳发现“无论在何处消耗机械力，都会最终获得精确相同的热量。”由此他确定了：单位机械作功所产生的热量是个常数，他称之为“热功当量”（mechanical equivalent of heat）。他还精确地测出了这个常数，用今天的标准单位来说就是 4.18 焦/卡。虽然后人发现法国物理学家萨迪·卡诺的“热质”学说经量化之后非常接近这个热功当量，但卡诺毕竟没有走出这最后一步。1847 年，德国著名物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821-1894）[2] 明确地宣称，这个热功当量的发现同时归功于冯·迈耶和焦耳。

　　为了支持声名鹊起的儿子继续他的科学研究，焦耳的父亲为他在自家经营的啤酒厂里盖起了一间实验室，并提供所有的实验费用。随之而来的是一些年轻的科学家，他们也利用这间实验室做研究，并和焦耳一起进行热力学与流体力学的各种实验，包括后来著名的数学家和物理学家乔治·斯托克斯（George G。 Stokes，1819-1903）。

　　可是科研并不总是一帆风顺，特别是触及到社会利益的时候便会遇到各种阻力。1843 年，焦耳以当时工业市场最好的产品“可尼斯蒸汽引擎”（Cornish Stream Engines）为例，通过计算指出它百分之九十本来可以用作机械功的能量都以散热的形式浪费掉了。因为这篇报告，他招致工业界商人的猛烈攻击，甚至多年之后还有人讥讽他只会用别人的引擎去做实验而自己却无法制造出更高效的引擎。焦耳对这一切指责都不予理睬。当年他更关注的是“能源枯竭”的长远危机，并积极建议英国政府去寻找新能源。

　　1847 年，时为格拉斯哥大学（Glasgow University）物理学教授的开尔文（William Thomson Kelvin，1824-1907）[3]，关注到了这位 29 岁年轻人焦耳的重要科学实验并表示了支持。他和焦耳后来成为终生合作伙伴，两人理论和实验相结合，联名发表了多篇学术论文。