亥姆霍茲發表能量守恆定律 │ 科學史上的今天:7/23

「能量守恆」是科學上極為重要的基本定律,許多物理定律都是奠基於此。然而這個今日看來理所當然的概念,在十九世紀中葉剛出現時卻是備受冷落,難以動搖當時根深蒂固的錯誤認知。

先是馮·邁爾(Julius von Mayer)在 1842 年發表公認是能量守恆的第一篇科學論文,但完全未激起任何漣漪;緊接著焦耳在第二年於學術會議上宣讀論文,說明自己所做位能與熱能的轉換實驗,現場也是一片沉默。直到 1847 年的今天,亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz, 1821-1894)在柏林物理學會上宣讀論文《論力的守恆》後,才終於引起迴響,使得能量守恆定律逐漸獲得各界認同。

亥姆霍茲發表論文時才 26 歲,還在軍隊中擔任醫官。早在他就讀醫學院時就對當時流行的「生機論」──主張生物體內有特殊的「生命力」──感到懷疑;他認為這種說法無異讓每個生物都成了永動機,而他根本不相信有永動機,於是就從「永動機為何不可能實現?」出發,思考各種力之間的關聯。

亥姆霍茲論文中的「活力」與「張力」其實就是分別代表動能與位能;他用守恆的概念檢視卡諾(Nicolas Carnot)、焦耳等前輩的研究,以及各種機械裝置運作過程中,動能、位能、熱能的變化,一一論證每個項目都符合能量守恆定律,因此主張整體的能量不會改變,不增不減,只是從一種形式轉換成另一種形式。能量守恆定律在亥姆霍茲嚴謹的論述下,終於得到許多物理學家的支持,也為馮·邁爾與焦耳爭得應有的肯定。

亥姆霍茲也因此得以在第二年提早退役,至大學教授生理學,繼續做出許多重大貢獻,包括測量神經刺激傳遞的速度、解釋色盲的成因、發明可以直接檢查眼球的檢眼鏡、研究耳朵內部構造而提出音調的生理基礎、發明共鳴器。1871 年轉任物理學教授後,又提出描述電磁波的「亥姆霍茲方程式」;而且旗下還出了三位諾貝爾獎得主,包括在量子力學的誕生中扮演重要角色的維因、測量光速的邁克生,以及發明彩色照相術的李普曼;此外,還有將電磁波帶給世界的的赫茲。

科學史上能像亥姆霍茲這樣跨足不同領域,既能提出理論又能發明,還成功作育英才的科學家也算是絕無僅有了!

 

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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