热是一种物质吗？

我们在这里追踪一个新线索，它开始于热现象的领域。然而，我们无法将科学划分为相互隔离的各不相关的部分。确实，我们很快就会发现，在这里引入的新概念将与我们已经熟悉的那些概念缠绕在一起，也将与今后引入的更新的概念缠绕在一起。人们在科学的一个分支上发展了一种思维方式，它往往被用来描述一些看上去性质截然不同的其他现象。在这个过程中，原有的概念经常有所改变，从而让它们原来出现的领域以及后来应用它们的领域双双获益。

描述热现象的两个最基本的概念是 温度 和 热 。在科学的历史上，为区分这两个概念，人们花费的时间长得不可思议。但一旦人们认清了其中的差别，随之而来的便是迅猛的进步。尽管现在人人都熟悉这两个概念，我们还是要仔细地审视它们，强调它们之间的不同。

通过触觉，我们可以相当确定地知道哪个物体较热，哪个物体较冷，但这只是一种定性标准，不足以作为定量描述的根据，而且有时甚至还会有模糊之处。这一点我们可以通过一项著名的实验加以说明。我们在三个容器中分别放入冷水、温水与热水。如果我们把一只手放入冷水而另一只手放入热水，我们就会收到来自第一只手的信息，知道水是冷的，以及来自第二只手的信息，知道水是热的。如果我们接着把两只手都放进温水，则来自两只手的信息是相互矛盾的。出于同样的原因，如果一个因纽特人和一个来自赤道地区的土著在纽约的春天里相遇，他们会对当地气候的冷热有不同的看法。只要用一支温度计，我们就可以解决所有的问题，这种仪器的原始形式是伽利略设计的。又是这个熟悉的名字！温度计的使用基于一些明显的物理学假设。我们将在此引用布莱克 大约在150年前的一段讲义，其中说到了这些假定。

在扫清与温度和热这两个概念有关的困难方面，布莱克的贡献不小：

有关这种仪器的使用：我们曾将它用于1000种甚至更多的物体上，其中包括金属、石头、盐、木料、羽毛、羊毛、水和其他各种流体等。通过实验，我们认识到，尽管这些物体在开始时的 热 各不相同，但如果我们把它们全都放在一间没有生火的房间里，而且不让阳光进入房间，则热将会从较热的物体向较冷的物体传播。然后，在经过几个小时甚至一天的时间之后，当我们用温度计连续测量这些物体时，它们的温度全都完全相等。

按照现代命名法，引文中的黑体“热”字应该用“ 温度 ”二字代替。

当一位内科医生从病人口中拿出温度计时，他的推理可能是这样的：“温度计是在用它的汞柱长度显示本身的温度。我们假设，汞柱长度的增加与温度的增加成正比，但温度计与我的病人接触了几分钟，所以病人的体温和温度计的温度相等。因此，我的结论是，病人的体温就是温度计上显示的温度。”这位医生很可能是在机械地做这一切，但他在未曾思考的情况下运用了物理学的原理。

但是，温度计是否带有与人体相同的热量？当然不是。如果有人认为，只是他以为，两个物体的温度相等，它们就会含有同样多的热量，这种人就会像布莱克所说的那样：

在这个问题上有着过分鲁莽的观点。不同物体中，热的数量和它们的一般强度或者说烈度是不同性质的概念，这种观点混淆了它们之间的差别。在考虑热的分布时，我们必须时刻注意区分二者。

让我们考虑一个非常简单的实验，它将让人理解二者之间的差别。如果把1磅重的水放在煤气炉上，我们需要一段时间才能把它烧沸。如果用同样的煤气炉，烧沸放在同一个容器中的更多的水，比如12磅重的水，我们需要更长的时间。要解释这一现象，我们可以说，我们需要更多的“某种东西”，并称这个“某种东西”为 热 。

比热 是另一个重要的概念，可以通过如下实验得到：在一个容器中放入1磅重的水，而在另一个容器中放入1磅重的水银，两个容器都以同样的方式加热。水银的温度增加得比水快得多，说明只需要较少的“热”就能让水银的温度提高1华氏度 。一般来说，对于同等质量的不同物体，如水、水银、铁、铜、木头等，让其温度增加1华氏度（如从40华氏度增加到41华氏度）需要数量不同的“热”。我们说，每种物质都有自己独有的 热容量 ，也叫 比热 。

既然已经知道了热这个概念，我们现在就可以更仔细地研究它的性质了。我们有两个物体，一个较热，另一个较冷，或者更准确地说，一个温度较高，另一个温度较低。我们让这两个物体相互接触，同时让它们不受其他外力影响。我们知道，它们最终将会有同样的温度。但这种情况是怎样发生的呢？从它们开始接触到温度相等，这段时间内发生了些什么呢？热从一个物体向另一个物体“流动”的图像可以自行说明这个问题，这就像水从高水位的地方流向低水位的地方一样。这个图像尽管原始，但似乎符合许多事实，所以两者之间有如下类比：

水——热

高水位——高温

低水位——低温

流动一直持续，直到两边的水位或者温度相等时为止。这种观点虽然幼稚，但在做一番定量考虑之后可以更加有用。如果我们把确定质量的水和酒精混合，而且知道混合前它们的确切温度，有关比热的知识就能让我们预测混合物的最终温度。反之，如果观察到了它们的最终温度，并运用一点代数知识，我们就可以计算这两种物质的比热的比率。

我们意识到，热的概念与其他物理概念有相似之处。根据我们的观点，热是一种物质，就如同力学中的质量。它的数量像钱一样，花掉了就会改变，放进保险箱里就不会改变。只要保险箱一直锁着，里面的钱数就不会变化，而在孤立物体中的质量和热也同样如此。理想的保温瓶对应于这样的保险箱。而且，在一个孤立的系统中，即使发生了化学变化，其中的质量也不会改变。与此相同，尽管热可以从一个物体传递给另一个物体，但它的数量守恒。即使我们没有利用热来提高一个物体的温度，比如用于化冰，或者将水变为蒸汽，但仍然可以认为它是一种物质，而且可以通过让水结冰或者让蒸汽冷凝重新获得这些热。“融化潜热”或者“冷凝潜热”是较老的术语，我们可以从中看到，这些概念是从热是物质这样一个图像得来的。潜热是暂时隐藏着的热，就像暂时存放在保险箱里的钱，但如果我们知道密码，就可以打开保险箱拿出来用。

虽然同是物质，但热这种物质与质量并不相同。我们可以用天平称量质量，但热呢？一块铁在红热的时候要比它冰冷的时候重一些吗？实验证明，情况并非如此。如果热确实是一种物质，则它是一种没有重量的物质。人们通常称所谓的“热物质”为 卡路里 ，它是我们在无重量物质家族中接触的第一位成员。以后我们还有机会研究这个家族的历史，它的崛起与没落，至于现在，只要我们注意到这样一个特定成员的诞生就可以了。

任何物理学理论的目的，都是要在尽可能大的范围内解释现象，只要它能让人们明白事情的来龙去脉，它就有生存的资格。我们已经看到，热物质理论能解释许多热现象，然而，我们要不了多久就会清楚，这又是一个虚假的线索，因为我们会发现，我们无法将热视为物质，哪怕是无重量物质也不行。如果回顾一些标志文明开始的简单实验，我们就能清楚地看出这一点。

我们认为，物质是某种既不能被创造也不能被摧毁的东西。然而，原始人通过摩擦得到的热足够点燃木头。其实，我们熟知的通过摩擦取热的例子太多了，不必在此一一列举。在所有的这些情况下，人们都创造了一些热，这是用物质理论无法说明的。确实，这种理论的支持者会发明一些论据支持这种说法，他们的大致推理不外乎如此：“物质理论可以解释表面上的热的创造。不妨用两块木头摩擦生热这一最简单的例子来说。摩擦就是一种能影响木头并改变它性质的东西。木头的性质很可能是这样改变的。最后，虽然热的数量并没有改变，但却产生了比原来更高的温度。无论如何，我们唯一注意到的事情就是温度的升高，或许摩擦改变的是木头的比热而不是总的热量。”

在讨论的这个阶段，与物质理论的支持者辩论是毫无用处的，因为这是一个只能通过实验解决的问题。让我们想象两块完全一样的木头，并假定可以用不同的方法产生相同的温度变化，其中一种方法是摩擦，另一种方法随意，比如让木头与暖气片接触。如果这两块木头在新的温度下有同样的比热，则整个物质理论便宣告崩溃。我们可以用非常简单的方法确定物质的比热，而物质理论的命运取决于这种测量结果。在物理学的历史上，能够判定一个理论生死存亡的测试经常出现，人们称之为关键实验。一个实验的关键价值只能通过创立问题的方式揭示，只有一种有关某些现象的理论可以用这样的实验加以判定。对于同种物质的两块物体，分别通过摩擦与热传导达到同一个温度，对于它们比热的测定，就是关键实验的一个典型例子。这个实验是拉姆福德 在大约150年前做的，对热质说造成了致命的打击。

我们可以从拉姆福德的记录中读到这个实验的情况：

一件经常发生的事情是：在人生的寻常事务与职业生涯中会出现一些机遇，让人们得以深刻地考查自然界中最令人好奇的事件。人们经常有机会做出极为有趣的哲学实验，这样做几乎毫不费力，且不需要多少金钱，只需要专为艺术和制造业的机械目的而设计的机器即可完成。

我经常有机会获得这样的经历，而且我确信，在生活中时刻关注身边发生的平凡小事，这种习惯经常会让我得到一些发现，好像出于偶然，或者就像在轻松地做想象力的游戏时出现一样，但却能通过最普通情况下的思考付诸行动，这样引起的有用的疑惑和对于研究与改进工作的合理计划，比哲学家们在专门为了研究而特别留出的时间内进行的专注的冥思苦想更为有效……

我最近参与了一项在慕尼黑兵工厂车间内监督钻制大炮炮筒的工作，结果看到，当给黄铜炮筒钻孔时，大量的热能会在短时间内产生，这让我感到非常吃惊；接着我又看到了从钻机上飞溅的金属屑，上面的热量甚至更多，根据我的实验，这些金属屑的温度远远高于沸水……

在上述机械加工中产生的这些热量到底从何而来呢？

这些热量是来自钻机从大块固体金属上钻下来的金属屑吗？

如果情况确实如此，则根据潜热和卡路里的现代教义，物体的热容量就不仅应该可以改变，而且它们经历的改变应该足够大，能够解释所有产生的热能。

但这种改变没有发生：我使用了两种相等重量的样品，一种是上述金属屑，另一种来自同样的金属块，不过是用精细的锯子在同样的温度下锯下来的薄片。我把它们放到等量的冷水（温度为59.5华氏度）中，结果我发现，根据一切观察的结果，与放入金属薄片的水相比，放入金属屑的水的温度并没有增加，二者完全一样。

最后我们读到了他的结论：

在对这一课题进行推理时，我们绝不应该忘记考虑最引人关注的情况，即在这样的实验中，通过摩擦形成的热源看上去显然是 无穷无尽 的。

毋庸置疑，任何 孤立的 物体或者物体组合能够 毫无限制地 持续给出的任何东西，都不可能是 实体性的物质 ；并且，如果想象任何能够像这些实验中的热那样被激发和传播的东西，我只能认为这是运动。除此之外，如果让我找出任何别的具有这种性质的东西，即使不是完全不可能，也将是极为困难的。

就这样，我们看到了旧有理论的崩溃，或者更准确地说，我们看到，热质说在热的流动问题上一筹莫展。正如拉姆福德宣告的那样，我们必须再次寻找新的线索。为此，让我们现在离开热的问题，回归力学。 Myzf08hqrT55zkZl8T2PQfv7DSaqpDtJjVTjn4xR9w5gY82zwwR4OmKGPPVyCGCA