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焦耳誕辰|科學史上的今天:12/24

用火藥槍發出巨響所造成的回聲測距離,一次因為反作用力太大而將槍掉入水中,另一次因火藥裝太多而燒掉一邊眉毛。電一隻馬的瘸腿,看看是不是會抽動;拿家裡的工人來實驗,結果把他電暈了。不,這不是豆豆先生的喜劇橋段,而是英國物理學家焦耳在中學階段搞的實驗。

詹姆斯.焦耳。圖/wikimedia

不過在當時的英國科學家眼中,焦耳的形象有那麼一陣子也沒比豆豆先生好多少。雖然焦耳念的中學是提出原子論的道爾吞所創辦,成為他親自教導的最後一批學生,接著也唸完了曼徹斯特大學,但是焦耳畢業後即回家接掌事業,成為釀酒廠老闆,也難怪科學圈內的學者不將他看在眼裡。因此,當焦耳從釀酒槽發熱的現象得到啟示,將不同的金屬線放入水中通電加熱,測量電流大小與水溫的變化,而得出Q = I2Rt的焦耳定律(熱量跟電流的平方成正比,跟導體的電阻成正比,跟通電的時間成正比),而於1841年將發表論文時並沒有引起多少注意,直到第二年一位俄國科學家也得出同樣的結論,焦耳定律才得到肯定。

1843年,他開始著手另一個實驗:熱與能量間的轉換關係。他讓砝碼以自由落體方式落下,透過滑輪帶動密封水筒內的槳轉動,使筒內的水摩擦生熱,證明熱能是由機械能轉換而來,並非當時普遍以為的熱是存在物質內部的一種「熱質」。他還發現固定單位的功會產生一定的熱量,兩者之間固定的數量關係稱為熱功當量。焦耳所做的實驗意義重大,除了顛覆關於熱的傳統認知,還產生了一個前所未聞的創見:能量不生不滅,只是在不同形式間轉換;也就是後來所稱的「能量守恆定律」。

但畢竟大家的錯誤觀念已根深蒂固,加上焦耳本身的業餘玩家形象,當時聆聽焦耳發表論文的科學家們即使沒有跟著出言譏諷,也都只是沉默以對,以他的實驗不夠嚴謹為由,將他與他的主張打入冷宮。

焦耳不吭不响,默默地回去繼續精進實驗,鍥而不捨地做了四百多次實驗,求出熱功當量的值為4.159焦耳/卡,與現今的4.186焦耳/卡相差無幾。焦耳的論點後來也由其他科學家的實驗得到驗證,終於在1850年獲選為皇家學會的會士,當初嘲笑他的湯姆生 (William Thomson, 1st Baron Kelvin),也就是後來訂出絕對溫度的開爾文男爵,也跟他變成好友,兩人一起合作,聯名發表了許多論文。

1889年焦耳與世長辭,當初的釀酒商得以科學家的身分長眠地下,他的名字也被作為能量的單位,以紀念他的偉大貢獻。
日──波耳誕辰

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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