6.熱是實體嗎？

現(xiàn)在我們開始追溯一條起源于熱現(xiàn)象領(lǐng)域的新線索。不過，我們不能把科學分成幾個獨立的、不相關(guān)的部分。事實上，我們很快就會看到，這里介紹的新概念是與我們所熟知的、將來還會遇到的那些概念交織在一起的。在一個科學分支中發(fā)展起來的思路往往可以用來描述似乎完全不同的事件。在這一過程中，原先的概念往往會被修改，以幫助理解這些概念所源出的以及現(xiàn)在所用于的那些現(xiàn)象。

描述熱現(xiàn)象的最基本的概念是溫度和熱。在科學史上，將這兩個概念區(qū)分開來經(jīng)歷了漫長的時間。然而，一旦作出這種區(qū)分，科學就獲得了突飛猛進的發(fā)展。這些概念現(xiàn)已眾所周知，但我們?nèi)詫⒆鞒稣J真考察，并且側(cè)重于兩者的區(qū)別。

我們的觸覺會非常清楚地告訴我們，一個物體是熱的，另一個物體是冷的。但這種標準是純粹定性的，不足以作出定量描述，有時甚至模糊不清。有一個著名的實驗可以表明這一點：假定有三個容器，分別裝有冷水、溫水和熱水。如果把一只手浸入冷水，而把另一只手浸入熱水，那么我們的感覺是：第一個容器里的水是冷的，第二個容器里的水是熱的。如果隨后我們把兩只手同時浸入溫水，那么兩只手會得到相互矛盾的感覺。同樣道理，愛斯基摩人和某個赤道國家的居民如果于春季在紐約見面，他們對于天氣的冷熱也會有不同的看法。我們用溫度計來解決所有這些問題。原始形式的溫度計是伽利略（又是那個熟悉的名字！）設(shè)計的。溫度計的使用基于一些明顯的物理假設(shè)。這里我們不妨引用大約一個半世紀以前布萊克（Black）講義中的幾句話來回想一下這些假設(shè)，在消除與熱和溫度這兩個概念相關(guān)的困難方面，布萊克貢獻甚大：

通過使用這種儀器，我們發(fā)現(xiàn)，如果取1000種甚至更多種不同的物質(zhì)，例如金屬、石頭、鹽、木頭、羽毛、羊毛、水以及其他各種流體，將其一起放在一個沒有火也沒有陽光照射的房間里，雖然起初它們的熱各有不同，但放入房間之后，熱會從較熱的物體傳到較冷的物體，經(jīng)過幾個小時或者一天，如果把一個溫度計依次用于所有這些物體，那么溫度計將會精確指示同一度數(shù)。

按照今天的名稱，文中的“熱”應當用“溫度”來代替。

一個醫(yī)生把溫度計從病人口中取出來，可能會作這樣的推理：“溫度計通過其水銀柱長度來指示自己的溫度。假設(shè)水銀柱的長度與溫度的增加成正比，但溫度計和我的病人接觸了幾分鐘，所以病人和溫度計有同樣的溫度。由此推斷，這位病人的溫度就是溫度計記錄的那個溫度。”醫(yī)生的行為也許是無意識的，但他無意中已經(jīng)運用了物理學原理。

但溫度計是否包含著與人體同樣多的熱量呢？當然不是。正如布萊克所指出的，僅僅因為兩個物體溫度相等就以為它們包含的熱量也相等，

這種看法過于倉促了。它將不同物體中的熱量與熱的一般強度混淆了起來。顯然，這是不同的兩種事物，在思考熱的分布時總是應當予以區(qū)分。

為了理解這種區(qū)分，我們不妨考察一個很簡單的實驗。將1磅水放在火焰上加熱，使其溫度從室溫升至沸點，這需要一段時間。若用同樣的火焰來煮沸同一容器中的12磅水，則需要更長的時間。在我們看來，這個事實表明，現(xiàn)在還需要另外“某種東西”，我們稱之為熱。

由以下實驗可以得出另一個重要概念——比熱。假定一個容器中裝有1磅水，另一個容器中裝有1磅水銀，用同樣的方式加熱它們。水銀變熱要比水快得多，這表明把水銀的溫度提高1度所需的“熱”更少。一般來說，要把相同質(zhì)量的水、水銀、鐵、銅、木頭等不同物質(zhì)的溫度改變1度，比如從40攝氏度升到41攝氏度，所需的“熱”量是不同的。我們說，每一種物質(zhì)都有它自己獨特的熱容或比熱。

一旦有了熱的概念，我們就可以更仔細地研究它的本性了。假定有兩個物體，一個熱，一個冷，或者更確切地說，一個物體的溫度比另一個更高。現(xiàn)在使之接觸，并且不受任何外在影響。我們知道，它們最終會達到同樣的溫度。但這是如何發(fā)生的呢？從它們開始接觸到獲得相同的溫度，在此期間到底發(fā)生了什么？我們的腦海中會浮現(xiàn)出這樣一幅畫面：熱從一個物體“流”向另一個物體，就像水從高位流向低位一樣。這幅畫面雖然原始，卻似乎符合許多事實，遂有這樣的類比：

水－熱

較高的水位－較高的溫度

較低的水位－較低的溫度

流動一直要進行到兩個水位即兩個溫度相等時才會停止。通過定量考慮，這個樸素的看法可以變得更有用處。如果把特定質(zhì)量和溫度的水與酒精混合起來，那么只要知道比熱就能預言混合物的最后溫度。反過來，只要觀察到最后的溫度，再加上一點代數(shù)知識，我們就能求出這兩個比熱之比。

我們意識到，這里出現(xiàn)的熱的概念與其他物理概念有相似之處。在我們看來，熱是一種實體（substance），就像力學中的質(zhì)量一樣。它的量可以改變，也可以不變，就像錢一樣，可以存在保險箱里，也可以花掉。只要保險箱始終鎖著，箱子里錢的總數(shù)就會保持不變。同樣，一個孤立物體中質(zhì)量的總量和熱的總量也是不變的。理想的保溫瓶就類似于這樣一個保險箱。此外，一個孤立系統(tǒng)即使發(fā)生了化學變化，它的質(zhì)量也保持不變；同樣，即使熱從一個物體流向另一個物體，一個孤立系統(tǒng)的熱量也是守恒的。即使不是用熱來提高物體的溫度，而是用它來熔化冰或者把水變成蒸汽，我們?nèi)匀豢梢园褵嵯胂鬄閷嶓w。只要把水結(jié)成冰，或者把蒸汽液化為水，又可以重新得到熱。熔化潛熱或汽化潛熱這類舊稱都表明，這些概念源于把熱想象成一種實體。潛熱是暫時隱藏著的，就像如果有人知道開鎖的方法，就可以把保險箱里的錢拿出來用。

但熱肯定不是一種與質(zhì)量有同樣意義的實體。質(zhì)量可以用天平來測定，那熱呢？鐵在熾熱狀態(tài)下是否要比在冰冷狀態(tài)下更重呢？實驗表明并非如此。即使熱是實體，它也是一種無重量的實體。“熱質(zhì)”通常被稱為卡路里，這是一系列無重量的實體中我們最先熟識的一種。以后我們還會追溯這一系列實體的興衰歷史，現(xiàn)在只需注意這一種實體的誕生就夠了。

任何物理理論都希望解釋范圍盡可能廣的現(xiàn)象。就它的確使事件變得可以理解而言，它是有道理的。我們已經(jīng)看到，熱質(zhì)說解釋了許多熱現(xiàn)象。但我們很快就會意識到，這同樣是一條錯誤的線索。不能把熱看成一種實體，哪怕是無重量的實體。只要回想一下標志著文明開端的幾個簡單實驗，我們就能明白這一點。

我們認為實體既不能創(chuàng)造，也不能毀滅。但原始人用摩擦的方法創(chuàng)造出了足夠的熱來點燃木頭。事實上，摩擦生熱的例子太多、太熟悉了，這里無須詳述。在所有這些例子中都有一些熱量被創(chuàng)造出來，這一事實很難用熱質(zhì)說來解釋。誠然，支持這個理論的人會發(fā)明出各種論證來解釋它。其推理可能是這樣的：“熱質(zhì)說可以解釋表觀上熱的產(chǎn)生。舉一個最簡單的例子：拿兩塊木頭相互摩擦，摩擦影響了木頭，改變了木頭的性質(zhì)。這種性質(zhì)改變很可能導致不變的熱量產(chǎn)生了比以前更高的溫度。畢竟，我們只看到了溫度的升高。也許摩擦改變的是木頭的比熱，而不是總的熱量。”

在目前的討論階段，同熱質(zhì)說的支持者進行爭辯是沒有用處的，因為這件事只能通過實驗來解決。設(shè)想有兩塊相同的木頭，用不同方法使之發(fā)生相同的溫度改變，比如一種用摩擦，另一種通過與散熱器接觸。如果兩塊木頭在新的溫度下有相同的比熱，那么整個熱質(zhì)說就被推翻了。我們有非常簡單的方法來測定比熱，熱質(zhì)說的命運取決于這些測量的結(jié)果。在物理學史上，經(jīng)常有一些檢驗能夠宣判一個理論的生死，這種檢驗被稱為“判決性實驗”。一個實驗的判決價值只有通過提問方式才能得到揭示，而且只有一種關(guān)于現(xiàn)象的理論才能交由它判決。同一類型的兩個物體的比熱測定，即分別通過摩擦和傳熱使之達到相同的溫度，就是判決性實驗的一個典型例子。大約150年前，倫福德（Rumford）做了這個實驗，它給了熱質(zhì)說以致命一擊。

讓我們看看倫福德本人是怎么說的：

在人們的日常工作和生活中，往往會有機會思索一些最奇妙的自然運作；利用純粹為技術(shù)制造的目的而設(shè)計出來的機械，幾乎不必花多少精力和錢就可以做非常有趣的哲學實驗。

我常常有機會作這種觀察。我確信，只要習慣于留心日常生活中發(fā)生的事情，就往往會引出有益的懷疑，有助于制定合理的研究與改進方案。這些情況有的像是偶然發(fā)生的，有的則是在思索司空見慣的現(xiàn)象時讓想象力盡情馳騁而發(fā)生的。與之相比，那些專門坐在書房里冥思苦想的哲學家倒沒有這么多機會。……

不久前，我去慕尼黑兵工廠監(jiān)管大炮的鉆制。我發(fā)現(xiàn)，銅炮在鉆制很短時間之后就會獲得大量的熱，而鉆頭從炮上鉆下來的金屬屑則要更熱（我用實驗發(fā)現(xiàn)，它們比沸水還要熱得多）。……

在上述機械操作中實際產(chǎn)生出來的熱是從哪里來的呢？

是鉆頭在堅固的金屬塊中鉆出來的金屬屑提供的嗎？

如果真是這樣，那么根據(jù)潛熱和熱質(zhì)的現(xiàn)代學說，它們的熱容不僅要變，而且要變得足夠大，才能解釋所產(chǎn)生的全部的熱。

但這樣的變化并沒有發(fā)生。取相等重量的這種金屬屑和用細齒鋸從同一塊金屬上鋸下來的金屬薄片，把它們在相同溫度（沸水的溫度）下分別放入等量的冷水（比如溫度為華氏59.5度），我發(fā)現(xiàn)，放金屬屑的水似乎并不比放金屬片的水更熱或更冷。

最后，我們來看看倫福德的結(jié)論：

在對這個主題進行推理時，我們不要忘記考慮那個最引人注目的狀況：在這些實驗中，由摩擦產(chǎn)生的熱的來源似乎明顯不可耗盡。

不消說，與外界隔絕的任何物體或物體系統(tǒng)所能無限持續(xù)提供的任何東西不可能是物質(zhì)實體（material substance），而且在我看來，任何能像這些實驗中的熱一樣被激發(fā)和傳播的東西，除非認為是“運動”，否則我們很難對其形成任何明確的觀念。

于是，我們看到舊理論被推翻了，或者更確切地說，我們看到熱質(zhì)說不適用于熱流問題。正如倫福德所暗示的，我們需要尋找新的線索。為此，我們暫時離開熱的問題，回到力學。