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第9章 18世纪的物理科学(8)

此时,一位意想不到的新朋友加入了这一研究,这位新朋友就是为大学制作仪器的技师瓦特。瓦特设计了一种装置,用于演示布莱克在课堂上讨论的潜热概念并为之提供实验证据。一个意外的惊喜是,瓦特根据他从布莱克那里得到的理论启发,成功地为他正在修理的蒸汽机发明了一种新装置:分离凝聚器。结果这一发明成为提高蒸汽机效率,使之成为运输和工业获取足够经济的能源之关键。瓦特的蒸汽机以煤或焦炭为燃料,于是工厂可以在任何地方设立,可以远离河边,而靠水力开设的工厂必须就设在河边。蒸汽机不久就用于几乎所有的工业,从煤矿到冶炼厂,再到纺织厂,以及后来出现的火车和轮船。

特勒维斯克设计的高压煤车发动机,这种发动机也许类似于1801年他根据瓦特的蒸汽机建造的蒸汽马车。布莱克对此非常满意,他乐于给学生们讲述瓦特的成就。当瓦特在1769年申请到专利时,他获得了应有的回报。罗比孙写道:“布莱克博士从未这样高兴过,就像这些收益是给他自己的一样。……两个朋友都认为这一段成功的研究是他们一生中最愉快的事情。”

更早些时候,布莱克还证明过,不同物质的同样质量,需要不同的热量(比热)才能使它们升至同样的温度。或者,换一种说法,当两种重量相同、温度不同的不同物质放在一起时,其平衡温度并不是两个温度的中点。也就是说,同样的热量作用于两种不同的物质,产生的温度变化各不相同。布莱克信奉的是热的流体理论,因此当他得出不同物质具有不同的所谓“比热”时,他更加相信,培根的(以及后来伦福德重新制订的)热动说与比热的存在是矛盾的。遗憾的是,这一观点后来成为科学史的一个案例,说明正确的科学有时似乎也不支持一个有效的理论。

伦福德伯爵与热作为运动

伦福德伯爵原来的名字是汤普森(Benjamin Thompson,1753—1814),生于美国马萨诸塞州的沃本恩。他的生平有些离奇古怪,虽然不够高贵,但确实充满趣味。年轻时,为了庆祝废止印花税法案而制造烟火,他差点因此而丧命,那时他在塞伦一家零售店工作。康复后,他在波士顿另一间零售店又工作了一段时间。19岁时,汤普森与一个富有的寡妇结婚后就来到新罕布什尔州的伦福德(现在的康科德),在那里他的妻子继承了一处地产。但是,因为革命战争爆发,汤普森开始为英国人服务,暗中监视邻居,于是,局面变得复杂。也许呆在家乡不太愉快,他留下了妻儿,随英军撤离波士顿。

在英国,汤普森为英国殖民地秘书处工作(他对美国的了解使他很受欣赏),后来与皇家学会主席班克斯爵士(Sir Joseph Banks,1743—1820)相识,通过班克斯,他见到了当时著名的科学家。

在战争结束前,他以英军陆军中校的身份返回美国殖民地。然而不幸的是,英国输了。他被迫永久流放,只好重返英国。在英国,他的投机性格再次暴露,不但受贿,甚至还可能为法国人当过间谍,对付英国人。

1783年,他得到乔治三世的允许前往欧洲大陆,在那里他为巴伐利亚的选帝侯。西奥多(Karl Theodor,1724—1799)效力。汤普森对付各种行政工作绰绰有余,当过战争大臣和国会议员。他为无家可归者建立贫民习艺所,引进瓦特蒸汽机和马铃薯,还做了其他一些好事。选帝侯很满意,于是汤普森在1791年成为神圣罗马帝国的伯爵,取名为伦福德,也许是出于怀念留在新罕布什尔州的地产的缘故。

汤普森,后来被称为伦福德伯爵,过的是浪子生活,开始于美国,终结于英国和法国。他最出名的是对热的本质的探索。伦福德在巴伐利亚时,对科学极有兴趣,深深地关注热的本质问题。1798年,他在慕尼黑掌管大炮镗孔的工作,注意到当钻孔机钻孔时,金属会变得非常之热——热到必须用水冷却。对此,热质说的支持者会这样解释,在切削过程中,无重量的热质流体从金属中不断被释放。但是伦福德注意到,只要钻孔在继续,就会不停地释放热,并且如果测量在此过程中释放的热质数量,其总数足以熔化金属,假如(以某种方式)再把它灌回空弹壳的话。他还注意到,如果他用的钻孔机钝到无法切割金属,此时,金属反而会变得更热,至少不低于这一情况下所释放的热质——即如果正是切割过程引起热质释放的话。

于是伦福德提出了热动说,也就是说,钻孔机的机械运动转变成了热。因此他说,热就是运动的一种形式。在他之前,培根、波义耳和胡克都曾经暗示过这一思想。

伦福德的思想很快得到一些人的强烈支持,他们抛弃了热质说转而支持热动说。但是在18世纪末,热质说仍然受到大多数物理学家和化学家的青睐,他们无疑仍然受到拉瓦锡权威见解的影响并且相信数学对热质说的支持。直至焦耳(James Prescot Joule,1818—1889)提供了一种数学上的定量说明,即一定量的机械功会产生多少热,这才证明伦福德是正确的。

用电做实验既有娱乐性——没有危险才行——也可受到教益。在巴伐利亚,他那投机取巧的性格终究不再表现。伦福德于1798年回到英国,鉴于他的成就,他在英国被接纳进入皇家学会,同年创建了皇家研究所。托马斯·杨(Thomas Young,1773—1829)和戴维,两位正在崭露头角的年轻物理学家,成了这个研究所的演讲者,特别是戴维,他对伦福德的理论充满热情,发表了一个由他亲手做的支持该理论的实验结果。但是大多数物理学家仍然没有被说服,直到1871年麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879)最终建立分子运动论,这已是70年以后的事了。

1804年,伦福德(他的第一位妻子已经去世)娶了拉瓦锡的遗孀玛丽-安妮,她很有钱,当然也很有名(在与伦福德结婚后。她仍然保留拉瓦锡的姓)。他50岁,她大约47岁。但是,他们的婚姻生活并不顺,一结婚就开始争吵,只在一起过了4年。伦福德私下认为,与自己相比拉瓦锡上了断头台还是幸运的。正如一位历史学家所说,伦福德算不上出类拔萃,但也做到仁至义尽了,至少在伦福德自己看来——他离开时只带走玛丽-安妮·拉瓦锡的一半财产。

伦福德与第一个妻子所生的美国女儿在1811年来到他身边,照顾他的晚年生活。虽然他性格粗野,常常肆无忌惮,但是除了对科学的贡献外,他还作出了许多实用性的发明,其中包括双层蒸锅、滴注咖啡壶以及炊事套具。他有意不申请专利,以便人们可以免费使用。1814年去世时,他把大部分遗产留给了美国,还给哈佛大学捐赠了一个应用科学的教授职位。

电学:大型室内游戏

很长时间来,人们对电知之甚少。古希腊人和古中国人都知道,一块琥珀,如果经过摩擦,可以吸引诸如羽毛或布片之类轻盈的东西。希腊人把这一化石树脂物称为elektron,这就是电(electricity)这个字的由来,但是对电却知之甚少。

1600年,吉尔伯特在他的《论磁》一本书里区分了磁和电,磁就是磁石吸铁的能力,电则是琥珀(和他发现的其他物质,如黑玉和硫黄)被摩擦后吸引物体的能力。他最早指出,这一特性并不是琥珀、黑玉和硫黄固有的,它是一种流体,经过摩擦产生或者转移。但是他对电没有作太多讨论,因为他认为这一现象不值一提。

很长时间以来电都被认为不值一提。17世纪爱尔兰科学家波义耳与当时任何人一样欣赏一项愉快的娱乐,他这样记述:

“……一绺绺假发,干燥到一定程度后,就会被人的肢体吸引。我通过让两位漂亮的女子戴上它们证明了这点。有时我观察到,她们无法阻止假发飘向面颊,或者贴在面颊上,尽管她们没有用胭脂。”

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