物理学史上三次著名的科学争论

物理学史上三次著名的科学争论

一、对热的本性的认识

对热的本性的认识，在历史上有“热质说”与“热的运动说”之争，其间经历了两百余年．直到19世纪中叶热力学第一定律确立，热的运动说才获得决定性的胜利．热是组成物体的粒子的运动这一学说，使得热和机械功的等效性在概念上是可以理解的，并为机械功和热的相互转化提供了一个解释的基础，也为气体动理论奠定了基础．

1 热的运动说

17世纪初，英国哲学家培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”，这种看法影响了许多科学家．英国物理学家波意耳看到铁钉捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，所以认为热是“物体各部分发生的强烈而杂乱的运动．”胡克用显微镜观察了火花，认为热“并不是什么其他的东西，而是一个物体的各个部分的非常活跃的和极其猛烈的运动．”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热．”洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止．”

俄国学者罗蒙诺索夫在18世纪40年代提出了如下的见解：“热的充分根源在于运动”，即热是物质的运动，运动着的是物体内部那些为肉眼所看不见的细小微粒．他认为热量从高温物体传给低温物体的原因是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的，它自身便会变冷．这些分析肯定了运动守恒在热现象中的正确性，表明了气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状态，是杂乱无规则的．但总的说来，当时热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据，所以还不能形成为科学理论．

2 热质说的提出

随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得以流传．法国科学家和哲学家伽桑狄认为，运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的．它们非常细致，具有球的形状，又非常活泼，因而能渗透到一切物体之中．这个观念把人们引向“热质说”，认为热是由无重量的某种特殊物质组成的．热质说的主要倡导者，英国化学家布莱克主张把热和温度两个概念区分开

来．他引进了“热容”的概念，得出了量热学的基本公式ΔQ＝cmΔt．其中c 称为比热，表示单位质量物质温度升高1Ｋ所吸收的热量．他在研究冰和水的混合时发现，在冰的熔解中需要一些温度计觉察不出的热量，进而发现各种物质在发生物态变化时都存在这种效应，他由此引进了“潜热”的概念，指出使冰熔解的过程是潜热发生的过程，使水凝固的过程是潜热移出的过程．

在热质说观点指引下，热学研究取得了一定的进展．在18世纪前半叶人们开始明白一个有意义的事实：在对混合物所做的实验中，亦即把温度不同的诸物体放到一起，热既不会被创生也不会被消灭．这就是说，不管热在混合物或保持密切接触的各种不同物体中间如何重新分布，热的总量保持不变．现在可以将这条热量守恒定律表述为：在一个不受外界影响的绝热系统中，物体A失去的热量等于物体B得到的热量，即 ΔＱＡ＋ΔＱＢ＝０．

这样一个热量守恒定律非常自然地使人联想到物质守恒的概念，有力地使热质说的观点占了上风．事实上，热质说对热传导现象给出了一个简单的可信的图像，即剩余的热质要从较热的物体不断地流向较冷的物体，直到达到平衡状态为止．而用那种把热视为粒子运动方式的观点来说明这一观察的结果确实很困难．除此之外，热质说还简易地解释了当时发现的大部分热学现象，比如物体温度的变化是吸收或放出热质引起的，对流是载有热质的物体的流动，辐射是热质传播，物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥，等等．热质说的成功，自18世纪80年代起几乎使整个欧洲都相信了热质说的正确性，从而压倒了热的运动说．

但是，热质说对热学的发展又起着严重的阻碍作用．既然把热看成一种物质，而不是物质的一种运动形态，那就不可能有各种物质运动形态的转化．在热质说看来，摩擦所以生热，只是由于摩擦把“潜热”挤压出来，使潜热变成显热，使摩擦后物体的比热比摩擦前小，所以温度升高，而热质的量并没有增加．因此，在热质说占统治地位的18世纪，人们就不可能正确理解由蒸汽机的发明所揭示的热和机械运动之间的关系．

３．运动说的复兴

到了18世纪末，热质说受到了严重的挑战．随着实验材料的增多，越来越表明热质说不能说明物体因摩擦力做功而生热的现象．1798年英国物理学家伦

福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告“论摩擦激起的热源”，说他在慕尼黑兵工厂监督大炮镗孔工作时，注意到炮筒温度升高，钻削下的金属温度更高，他提出了大量的热是从哪里来的这个问题．他敏锐地感觉到彻底研究这一课题，对热的本质可望获得进一步认识，从而对于热质存在与否这个自古以来哲学家们众说不一的问题做出合理的推测．

接着，他写道：“热是否来自钻腔机所切开的金属片？如果情形的确是这样的话，那么根据现代的潜热和热质学说，则金属片的热容不仅应该变化，而且此变化还应该大到足以成为产生所有热的源泉．”但是，他通过在绝热条件下所做的一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻削不会改变金属的比热．他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒升高70°F，金属碎屑只有54ｇ，相当于炮筒质量的1／948，这一小部分的碎屑能够放出这么大的“潜热”吗？于是，他做出结论：“这些实验所产生的热，不是来自金属的潜热或综合热质．”他在论文的末尾写道：“看来在这些实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的．不待说，任何与外界隔绝的物体或物体系，能够无限制提供出来的东西，决不可能是具体的物质实体；在我看来，在这些实验中被激出来的热，除了把它看做是运动以外，似乎很难把它看做是其他任何东西．”

1799年，英国化学家戴维在论文中描述了实验：在一个同周围环境隔离开来的真空容器里，利用钟表机件使里面的29°F的两块冰互相摩擦而熔解为水．他在论文中写道：“如果热是一种物质的话，它一定是从这几种方式之一产生的：或者是由于冰的热容减少，或者是两物体的氧化，或者是从周围的物体吸引了热质．”可是明显的事实是，水的热容比冰的热容大得多，而冰一定要加上一定量的热才能变成水，所以摩擦并没有减少冰的热容．“也不是由于物体氧化引起的，因为冰根本不能吸引氧气．”最后，他得出结论：“既然这些实验表明，这几种方式不能产生热质，那么，即就不能当做物质．所以，热质是不存在的．”他明确指出热是物体微粒的运动．他说：物体因摩擦而膨胀，则很明显，它们的微粒一定会运动或相互分离．既然物体微粒的运动或振动是摩擦和撞击必然产生的结果，那么，我们就可以做出合理的结论：热是物体微粒的运动或振动．伦福德和戴维的实验与论证是令人信服的，可以说为以后热质说的最终崩溃和热的运动说的确立提供了最早的论据．但他们的实验在当时没有被人们所重