能量转化和守恒定律的发现
能量转化和守恒定律的发现
物理学是一门研究与揭示自然界基本规律的科学。今天，物理学已成功地解释了我们所观察到的大部分自然现象，既有宇宙的构造、天体的形成和运动，也有物质微观世界基本构造的规律。
但当我们回顾几百年来物理学的发展历程以及它所取得的巨大成就时却惊奇地发现，这门伟大的自然科学，除了它所必须的各种原始的、现代的、普通的、精密的实验设备外，整个理论完全是建立在一些简单的基本定律之上。中学物理讲到的能量转化与守恒定律就是其中最重要的一个。
运动与做功
自远古以来，人类就一直与各种生产劳动和社会实践活动相伴随，并且在漫长的岁月里逐渐有了运动物体能够做功的概念。比如举高的大石块落下时可以砸开坚硬的物体、夯实房屋的地基;流动的河水能够推动简单的传动装置，带动石磨加工粮食……
但是怎样才能知道运动物体做功本领的大小呢?人们想到测量任何东西的大小都要有一把合适的尺子。例如测量时间就要有计时工具，从古代的沙漏、水漏，几百年前的摆钟到今天的原子钟，都是不同时期测量时间的“尺子”。那么运动物体做功本领的大小用什么测量呢?同样需要一把“尺子”。
“尺子找到了”
人们在苦苦寻找这把尺子，但始终求之不得。然而到了16世纪，有人发现了它，这个人便是意大利科学家伽利略。
伽利略在他的研究中发现，从同一高度掉下两个质量不同的物体时，它们会以相同的速度落下。但重的物体撞击地面的力量比轻的物体大得多，显然它们的运动量并不相同。于是伽利略提出用运动物体的质量和速度的乘积来测量运动物体的运动量是合适的。但是他并没有把这个研究进行下去，只是用它解释了几个试验而已。后来，法国数学家笛卡尔觉得伽利略的发现很重要，便继续进行研究。笛卡尔根据碰撞理论，用数学方法证明“质量乘以速度”的确可以测量运动物体运动量的大小。
这样的“尺子”合适吗?德国数学家莱布尼茨首先不同意。他做了这样的实验，用10米/秒的初速度向上抛一块石头，石头上升的高度约为5米;当速度扩大2倍为20米/秒时，石头达到的高度却并非扩大2倍而是4倍，达到20米的高度;如果速度扩大3倍为30米/秒，高度则扩大9倍达45米。莱布尼茨发现这与笛卡尔的观点相矛盾，因而于1686年发表文章，提出用“质量乘以速度的平方”测量运动量的大小。
莱布尼茨的看法立即遭到笛卡尔派的反对，接着他们以及各自的支持者就此形成两大派别展开了激烈的争论。在其后的一个多世纪里，经过达朗贝尔、科里奥利、托马斯·杨等许多科学家的不断深入研究，终于发现能够测量运动物体做功本领最合适的“尺子”既不同于笛卡尔的，也有别于莱布尼茨的，而是“质量乘以速度的平方之一半”，并且把运动物体具有的这个量叫做物体的“活力”。1801年，托马斯·杨在英国皇家科学院的一次讲演中，提出用“能”这个词代替“活力”。按照他的解释，运动物体具有的能的多少就是其做功本领的大小。
能量与能量转化
有了测量物体的运动量即能量这把尺子之后，对运动物体的研究就进入到一个更深的层次。但是科学家很快发现，自然界存在各种形式的运动，它们之间有着广泛和深刻的内在联系，并且各种形式的运动之间经常发生着转化，因而以前那种把各种运动分割开来单一研究的方法已举步难行。1799年德国哲学家谢林就指出:“磁的、电的、化学的甚至有机的现象都会编织成一个大综合。”
当时，机械运动和热运动之间的联系在实验和技术上已被揭示出来。钻木取火现象早在远古就被发现;1797年伦福德的钻炮摩擦生热以及1799年英国科学家戴维在真空中使两块冰摩擦融化的实验都显示出机械运动向热运动的转化。而蒸汽机的发明和改进又使热运动转化为机械运动，这些使得机械运动和热运动之间的转化过程完成了循环。
热和电之间的转化则在稍后的1821年由德国物理学家塞贝克发现。为了验证关于电流的磁性的某种猜想，他用一根铜导线和一根铋导线连接成回路。当把一个结头握在手中时发现，只要两个结头之间出现温度差，回路中就产生了电流，并且在一定的范围内，电流大小与温差成正比。而在1840年和1842年，英国物理学家焦耳和俄国物理学家楞次又分别发现电流通过导线时的热现象，并由此得到了电学中著名的焦耳—楞次定律。这些都使人们相信，电能和热能之间也存在相互转化。
与此同时，能量转化研究的范围已扩大到有生命的领域。19世纪初以后，科学家就发现植物从它周围的土壤中吸取水分和其他营养，从空气中获取二氧化碳。在太阳光的照耀下，这些物质依靠植物叶子里一种叫叶绿素的化合物变成了淀粉、糖分和纤维素等。这种转化过程称为光合作用，它是太阳能转化为植物所具有的化学能的过程。当植物被用来做食物或者燃料时，化学能又转化为机械能或热能。
科学家还发现动物和人类等生物体的活动与生存也来自于能量的转化，或者说来自于食物中的化学能。动物和人类的运动是依靠肌肉有节奏地收缩产生的，少数动物像蜘蛛腿上没有肌肉，行动靠腿骨内的液体流动产生，其原理类似于机器里的液压传动。
肌肉是怎样产生收缩运动的呢?科学家开始认为生物如同一架蒸汽机，先把食物的化学能转化为热能，然后热能再转化为肌肉的机械能。但他们发现在生物体内能量并不是按这种方式转化的，因为动物转化能量的效率为80%左右，而最好的蒸汽机的效率却只有7%左右。后来的研究表明，在生物体内，化学能是直接转化为机械能的，当然转化过程是比较复杂的。首先，食物在肠道内被分解为糖分，糖分透过肠道壁进入血管并被血液送到肌肉里。这时糖分继续分解并放出能量，但这些能量并不直接为肌肉使用，而是保存在一种化合物三磷酸腺苷中。当肌肉收到大脑发出的收缩指令后，三磷酸腺苷才放出能量供肌肉使用。然而，肌肉是如何把化学能变为机械能的呢?对此转化过程科学家仍在继续研究。
在19世纪中叶之前，科学家已发现了当时所知道的大多数形式的能量间的相互转化过程。除了已讲到的外，还有电能与磁能、机械能与电能、电能与化学能等能量间的转化关系。从这些事实人们认识到自然界的能量有多种形式，但不同形式的能量是可以转化的，因而能量转化是自然界的一条基本规律。
永动机之谜
能是物体做功的本领，物体在做功的同时必然消耗一部分能量，这在今天看来无疑是最简单的科学道理。但在科学史上相当长的一段时间，许多人都做过一个相同的梦:制造出一种机器，它不需要消耗能量却能做功。这些人中不乏技艺高超的能工巧匠，也有聪明绝顶的著名科学家。
最早的永动机方案是13世纪一个叫亨内考的法国人提出的。他在一个轮子的边缘上等距离地安装12个活动短杆，杆端分别套一个重球。亨内考认为，无论轮子转动到什么位置，右边的重球总比左边的重球离转动轴更远一些。这样右边的重球就会压着轮子永不停顿地沿顺时针方向转下去。可是根据这一设计制做的永动机只转了几圈后便停下来，更不用说再对外做功。
著名的意大利画家达·芬奇不仅画技高超，而且还是一位科学家。他也设计了另外一种永动机，他认为右边的钢球比左边的钢球离轮心更远，在两边不相等的作用下轮子就会沿着箭头方向转动不息。但按达·芬奇的设想制作的永动机同样逃脱不了失败的命运。后来各种各样的永动机方案还是层出不穷，有的利用重轮的惯性，有的利用浮力、细管的毛细作用、磁性之间同性相斥的性质……但五花八门的永动机设计方案都在科学的严格审查和实践的验证下一一失败了。以致法国科学院在1775年正式宣布永动机是不可能制成的，并声明“本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”。
但在科学上发现不同形式的能量可以转化后，一度匿迹息声的永动机之梦又开始死灰复燃，有人企图在能量转化的过程中，实现能量的递增从而制成永动机。一个典型的永动机方案就是用一台电动机带动水泵把水抽到一定高度储起来，再利用水的落差带动一台功率更大的发电机发出多于用于电动机的电来。但是所有的永动机都失败了，无论设计者怎样改进，不论结构多么严密和精巧，都无一能够成功。人们在痛定思痛之余，对这些机械进行细致地科学分析，原来永动机的设计者违背了自然界的另一条基本原理——能量守恒定律。
能量是守恒的
早在15世纪的明末清初之际，我国著名的思想家王夫之就有过运动守恒的思想，之后西方的科学家伽利略、笛卡尔等也提出过运动不灭，但是人类真正从科学上开始认识能量守恒却是19世纪40年代的事情。
罗伯特·迈耶是德国的一位医生，他从生理学入手，通过哲学上的思考，较早地发现了能量守恒原理。1840年迈耶在一艘从荷兰驶往东印度的船上当医生，在航至爪哇附近时，他给船上生病的欧洲船员放血时发现，病人的静脉血不像生活在温带的人的血颜色发暗而像动脉血一样鲜红。迈耶对此迷惑不解，甚至怀疑自己是否弄伤了病人的动脉，但是在港口当地的医生告诉他这种现象其实在热带地区很普遍。
这是为什么呢?迈耶决心把问题弄清楚，他在大学没有学过数学和物理学，但行医前在巴黎学习过法国化学家拉瓦锡的燃烧理论。因此迈耶试图用燃烧理论解决这一问题，他设想人体的体热是由所吃的食物和血液中的氧气化合而释放的，在热带的高温环境下，人的机体需要较少的热量，所以氧化过程减弱了，于是在流回心脏的血液中留下了较多的氧，静脉中的血液的颜色就鲜红一些。
这次航行结束后，迈耶根据自己的理解写了一篇题为《论力的量和质的测定》，并寄给当时德国的权威刊物《物理学和化学年刊》。由于迈耶在数学、物理学上的知识不足以及缺少精确的实验根据，所以文章没有发表。这件事激励迈耶自学了有关的数学知识，在1842年又写出第二篇文章《论无机界的力》并发表在《化学和药学年刊》的5月号上。在这篇文章中迈耶首次提出“能量是不灭的、可转化的、无重量的客体”，并运用这一观点讨论了“势能、动能、热能之间的转化和守恒”，并根据当时的气体比热值，首次测出热的机械当量。
1845年，迈耶又发表了《论有机运动与新陈代谢》一文，再次讨论了能量转化和守恒的科学性。他研究了运动的五种形式和能量的五种形式，并非常形象地描绘了运动转化的25种情况。迈耶进一步提出有机体内发生着化学能转化为其他形式能量的复杂过程，生命现象也遵守能量转化和守恒原理。由于迈耶不是物理学家，所以在很长的一段时间里，他的研究成果不被人们接受，观点受到怀疑和嘲笑。但是他始终坚持自己的科学信仰，即使在两个孩子夭亡、自己身体残废的困境中也矢志不移。(https://www.daowen.com)
如果说迈耶从理论上揭示了能量守恒原理，那么，另一位英国物理学家焦耳对于热的机械当量的精确测定则为这一原理的建立提供了最重要的实验基础。焦耳年轻时也是个永动机迷，但他在失败后立即放弃了这种念头。为了清楚永动机为什么不能成功，他开始探索不同形式的能量在转化过程中是越来越多，还是永远保持不变。
1840年，焦耳首先研究电流的热效应，他通过一系列实验验证了电流生热的定量关系:导线的发热量与通过它的电流的平方成正比。接着焦耳开始研究机械运动和热转化的关系，他用至今仍出现在物理教科书上的那个经典实验证明:处在55～600F的1磅水温度上升10F，需要的热量等于772磅重物下降1英尺(0.3048米)所做的功。焦耳对热的机械当量的测定，前后用了近40年的时间，做了400次实验。焦耳的成果得到了科学上的承认，也为能量守恒原理的建立扫除了最后的障碍。
历史上能量守恒原理的发现和建立过程相当复杂，除了迈耶、焦耳之外，许多科学家如德国物理学家亥姆霍兹、法国工程师卡诺等都进行过这一研究，并且都在1832～1854年以不同形式彼此独立地提出了能量守恒原理。后来科学界把能量转化和能量守恒原理合二为一，并表述为这样一条定律:对应着各种不同的运动形式，有各种不同形式的能量。任何一种形式的能量在转化为其他形式能量的过程中，总能量是守恒的。能量既不能创生，也不能消灭，只能由一种形式转化为另一种形式，或由一个物体传给另一个物体。
伟大的科学定律
能量转化与守恒定律为人类深刻揭示了自然界各种运动状态的普遍联系和统一性，找到了各种运动的公共量度——能量，因而这个定律是全部自然科学的基石，也正因为这样，伟大的革命导师恩格斯指出这一定律与进化论、细胞学说是19世纪自然科学的三大发现。
这一定律是在长期的生产实践和大量科学实验的基础上确立起来的，直到现在，科学上还未发现违反这一定律的实验事实，反而科学家却根据这一定律不断地解决了一系列重大的科学问题。
20世纪初，物理学研究发现在一种放射性原子核衰变为另一种核的衰变过程中，放出的电子携带的能量不够多，与衰变前后原子核的能量损失不相等。由于当时无法找出丢失的能量，科学界极为惊慌，就连大名鼎鼎的物理学家玻尔也认为在微观世界应放弃能量守恒。但是年轻的奥地利物理学家泡利坚信能量守恒是自然界的普遍规律，他认为衰变过程中能量并没有丢失，而是被某种当时还不知道的粒子带走了，并做出了著名的中微子假设。到了20世纪50年代，人们终于发现了中微子。
这个定律的应用还有很多很多。在营养学方面，专家通过测量各种活动对能量的需求，制定出合理的营养标准。比如从事不同运动项目的运动员就有不同的食谱。在医院里，医生测量病人对能量的消耗，就能对某些疾病做出诊断。病人吃得越来越多却越来越消瘦，那就可能患有甲状腺机能亢进。
工程师设计一座火力发电厂，就得按照预定的发电量，根据能量定律确定电厂的规模、汽轮机的大小、锅炉的容量、煤的消耗量等。同样，一架飞机、一辆汽车、一艘轮船的设计都离不开这个定律。
自能量转化与守恒定律发现以来，人类在对能量的认识上取得了两个伟大的成就:一是能量子的发现，即自然界各种形式的能量都是由一份一份的能量子构成的，这一发现直接导致了现代物理学的诞生;二是质能关系的发现，即一定的质量必与一定的能量等当。这一发现使人类找到了新的能源——原子能。但是能量世界还有许多未知的东西需要人们去探索、去发现，因而将来人类对能量的认识一定会更丰富多彩。
光的色散的发现
在自然科学中，光学是一门历史悠久、内容丰富的学科，人类的科学进步始终与光学的发展和人们对于光的认识有着极其密切的关系。在光学发展300多年的历史上，许多著名的科学家都进行过这一科学领域的研究，人类最伟大的科学家牛顿就是其中之一，而且他在实验物理方面的工作主要是体现在光学上。
发现七彩光带
牛顿在大学期间，特别喜欢物理实验，接触了许多光学仪器。虽然当时光学仪器的缺陷和毛病很多，但大家都找不出其根源所在。对于这一问题牛顿牢牢地记在心里，他想一旦有了机会必须弄清楚它们。
1665年，牛顿大学毕业了。当时的英国正受到瘟疫的侵袭，为了减少传染的机会学校都关了门，无学可上的牛顿只好回到农村的家中。他虽然也去田间干农活，但更多的精力却是用于科学研究，其任务之一就是要弄清大学实验室的光学仪器为什么会有那么多的不足。
那个时代的光学仪器还非常原始，无非是一些平面镜和凹、凸透镜及三棱镜等元件，因而牛顿能够在家里方便地开展自己的研究工作。
一天，天气很好，阳光从窗子射进屋内，牛顿拿出一块玻璃三棱镜准备实验。忽然，他发现地面上出现了红、黄、青、紫等颜色的光排成的鲜艳彩带。这是怎么回事呢?他已多次使用过这块三棱镜，但从来没有见过这种现象。
牛顿开始认真地研究这一现象，他用支架把三棱镜安放好，接着拿出两张硬纸板。在一张纸板上刻出一条缝放在棱镜前面，将另一张放在棱镜后面做光屏。当一束阳光穿过窄缝射到棱镜上时，在进入棱镜的一面发生一次折射，从棱镜的另一面射出时又发生一次折射。经过两次折射后，光线的方向变了，在后面的屏上形成一条由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色排开的彩色光带。难道白色的阳光是由这七种颜色的光组成的吗?牛顿还不能肯定，他开始查找资料，很快发现了对这一现象的解释:白色的光通过三棱镜后之所以变成依次排列的各色光，并不是白光有复杂成分，而是白光与棱镜相互作用的结果。
决不轻信别人
事实是这样的吗?牛顿是个特别认真的人，要让他相信什么，除非是他亲眼所见或者亲身经历过。
牛顿开始这样考虑问题，如果白光通过棱镜后变成七种颜色的光是由于白光与棱镜的相互作用，那么，这些各种颜色的光经过第二个棱镜时必然会再次改变颜色。他根据自己的想法继续做实验，他在棱镜后面竖放一张开有小孔的屏，这样转动前面的棱镜，就可以使不同颜色的光单独地穿过小孔。在屏的后面再放一块三棱镜，就能观察到这些单色光通过第二块棱镜后颜色是否会改变。但实验的结果表明，这些单色光经过第二块棱镜后没有再分解，颜色也没有变化，看来别人的解释并不正确。
接着牛顿开始想，既然一块棱镜能把白光分解成七种颜色的光，那么用另一块棱镜就可能使这些彩色的光复原为白光。于是他又在第一块棱镜后倒放了一块顶角较大的棱镜，果然实验成功了，七种颜色的光带又变成白光。
这些成功的实验使牛顿认识到白色的阳光的确具有复杂的成分，它由七种不同颜色的光组成。三棱镜之所以能把它们分开，是因为各种单色光相对于棱镜有不同的折射率。后来牛顿的发现得到科学界的承认并被写进教科书，而这些实验则被称为著名的“光的色散实验”。
牛顿与现代光谱学
光的色散现象的发现是17世纪的事情，这在当时并无特别重要的意义，但是牛顿的实验却开创了现代物理学的重要领域——光谱学研究的先河。
随着科学的发展和技术的进步，人们逐渐发现了红外线、紫外线以及各种各样的其他光谱，更重要的是认识到这些光谱反映了物质的微观世界——分子、原子里面发生的事情。因而光谱学的研究就成为科学家认识物质微观结构的有力手段。
通过光谱学，人类发现了新的物质元素，找到了“解释原子密码”的依据。特别是20世纪60年代后，随着激光技术、计算机以及各种先进的电子技术、测量技术的出现，人们更容易获得各种物质元素的光谱，并且更为方便准确地进行研究。通过光谱反映的信息，可以了解它们的成分和结构、弄清它们的理化性质。可以说，没有光谱学的成就，就不会有物理学、生物学、化学等许多科学的今天。
目前，光谱学已发展成为一门内容丰富的专门学科。从物质结构上讲，有原子光谱学、分子光谱学;从光谱波长上分，有X射线光谱学、红外线光谱学;从光谱形式上看，有激光光谱学、荧光光谱学……而且，光谱学的应用已遍及化学、生物学、天文学、地质学、冶金学、医学、刑事学等现代科学的许多领域。
今天，光谱学的发展远远超越了牛顿所研究的范围，但是我们不应忘记牛顿的功绩:他发现了获得光束中电磁辐射的强度按波长或频率分布的一个表象的原始方法。
