热是一种物质吗

我们从一个新的线索开始，它来自热现象领域。然而，要把科学分成截然不同且毫无关联的部分是不可能的。实际上，我们很快就会发现，这里引入的新概念和早已熟知的概念互相交叉，所以，我们还会再次遇到那些概念。科学某一分支发展出的一个思路，往往能用于解释性质明显不同的事件。在这个过程中，初始概念往往会被修改，这样它就能更进一步用于理解自身起源，并以新的方式加以应用。

描述热现象最基础的概念是温度和热。把这二者区分开的科学史，难以想象的久远，但是，一旦区分开，它们就迅猛发展。尽管现在每个人都对这两个概念很熟悉，我们还是应该更仔细地验证它们，强调二者的区别。

触觉明确告诉我们，一个物体是热的，另一个是冷的。但这只是定性标准，不足以作为定量描述，而且有的时候会显得含糊不清。一个著名的实验说明了这一点：我们有三个容器，分别装有冷水、温水和热水。如果我们往冷水里伸入一只手，再往热水中伸入另一只手，那我们从第一个容器得到的信息就是水是冷的，从第二个得到的则是热。但如果，我们接着把两只手都伸进温水里，那二者会得到相反的信息。出于相同的原因，因纽特人与赤道国家的原住民在同一个春天到纽约会面，他们对天气冷热的观点是大不相同的。我们用温度计来解决这样的问题，这个工具最开始是伽利略设计的。又一次看到了这个熟悉的名字！温度计的使用是基于某些显而易见的物理猜想。我们可以引用布莱克在150年前的讲义来回顾这些猜想，布莱克在澄清热和温度两个观念的区别上贡献颇多。

通过使用这个工具，我们认识到，如果有1000种甚至更多数量的不同物质，比如说金属、石头、盐、木头、羽毛、羊毛、水和其他各样液体，尽管它们在一开始都会有不同的热，但把它们放在同一个没有生火的房间里，也没有阳光照射，热会从更热的物体传导到更凉的物体上。约莫过了几个小时，或者一天，到之后的某个时间点，如果我们用温度计挨个儿测量它们，温度计会精确地指向相同的温度。

根据现在的命名，着重标出的“热”字应该由“温度”这个词替代。

物理学家从病人嘴里拿出温度计之后，大概会这么推导：“温度计通过水银管的长度来显示自身的温度。我们假设，水银管的长度和温度上升成正比。因为温度计和病人接触了几分钟，所以病人和温度计的温度一样。因此，可以判断，病人的温度就是温度计显示的温度。”医生也许只是机械使用温度计，但他却是无意识地应用了物理学原理。

但温度计拥有的热量真的和人体一致吗？当然不是。因为两个物体的温度一致，就假设二者拥有相同数量的热，会像布莱克指出的：

这个结论下得太仓促。这是混淆了不同物体中的热量和一般强度，或者说密集度；但是二者显然并不相同，在考虑热的发散时，还是应该从始至终都把二者区分开。

通过一个很简单的实验，就可以理解这个区别。把1磅的水放在燃气火焰上，过些时间水就从室温上升到了沸点。如果要加热12磅的水，需要更长的时间，当然都在同样的容器里，用的火也一样。我们认为这个现象说明，需要的“某种东西”变多了，而这“某种东西”指的是热。

可以通过下述实验得出比热容这个更进一步的重要概念：在一个容器中放入1磅的水，另一个容器中放入1磅的水银，用相同的方式加热两个容器。水银会比水热得更快，说明水银升高1度需要的“热”更少。通常而言，不同物质温度变化1度需要的“热”是不一样的，比如说，从华氏40度到华氏41度，不同物质诸如水、水银、钢铁、铜、木头等需要的“热”不同。我们认为，不同的物质有各自的热容，或者说比热容。

一旦有了热这个概念，我们就能更深入地研究它的属性。有两个物体，一个热，一个冷，或者更确切地说，一个的温度比另一个高。我们让这二者互相接触，并且排除掉所有外在影响。最终它们将会达到相同的温度，这我们已经知道了。

但这是怎么发生的？从接触到有了相同的温度，这之间发生了什么？其实它展示出了一幅热从一个物体“流动”到另一个物体的画面，就好像水从高处流到了低处。这个画面虽然很简单，但似乎和许多现象契合，因此有了如下类比：

水—热

高水位—高温

低水位—低温

流动会一直持续，直到两个水位或者温度相等。这个朴素的观点可以通过定性思考变得更有用。假设，定量的水和定量的酒精，两者都处于某个温度，将它们混合，根据比热容的知识，我们可以预测出混合物的最终温度。相反，观测出最终温度，再用一点代数知识，我们就能找出这两个比热容的比率。

这里的热概念和其他物理概念有相似之处。在我们的认识里，热是物质，就像经典力学中的质量。它的数量也许会变也许不会，就像是放在保险箱或者花掉的钱。只要保险箱是锁着的，箱子里的钱就不会少。同样，单独物体的质量和热的数量也不会变。理想的热水瓶可以看成类似的保险箱。此外，正如单独系统的质量并不会改变，即便是发生了化学变化，热就算从一个物体流动到了另一个物体，总量也是守恒的。就算热没有用于提高物体的温度，而是熔化冰块，或者说是把水变成蒸汽，我们也可以把它看成物质，并通过冷冻水或者液化蒸汽完整地回收热。熔化潜热或汽化潜热这两个旧名词说明，这些概念都是从把热看成物质而得来的。潜热是暂时隐匿的，正如收进保险箱的钱，但是如果知道如何打开锁就能够使用它。

但热显然不是和质量一样的物质。质量可以用秤来测量，那热呢？一块红热的钢铁会比一块冷冰冰的钢铁更重吗？实验显示并非如此。如果热真的是物质，那它是没有重量的那种。“热—物质”通常称作热质，这也是我们第一次遇到无重量物质家族。稍后，我们会有机会了解这个家族的历史以及它的浮浮沉沉。现在只要注意到这一特殊成员的起源就足够了。

任何物理理论的目的都是尽可能解释范围更广的现象。只要真的能解释现象，它就是合理的。我们已经看到热质说解释了很多热现象。然而，很快我们就会明白，这又是一个错误的线索，热既不能被看作物质，更不是无重量的。如果我们想想那些标志着文明开端的简单实验，一切就都清楚了。

物质是一些不能被创造也不能被摧毁的东西。然而，原始人通过充分摩擦生热来点燃木头。通过摩擦生热的数不胜数的例子，都太令人熟悉了。在所有类似的例子中，通过摩擦创造出了一定数量的热，很难用热质说来解释。即使这个理论的支持者可以创造出一种说法来进行争论。他的推理大概是这样的：“热质说可以解释显而易见的生热。最简单的例子，就是两块互相摩擦的木头。摩擦是影响木头并改变其性能的因素。极有可能，木头性能被改变到一定的程度，热的数量不变，但产生了比先前更高的温度。毕竟，我们看到的只有温度上升了。有可能是摩擦改变了木头的比热容而非热的总量。”

在猜想阶段和热质说的支持者争论是无用的，因为只有实验才能给出定论。想象两块木头，通过不同的方式导致了相同的温度变化。比如说，一个是通过摩擦，另一个则是通过与散热器接触。如果这两块木头在新的温度下都有同样的比热容，那么热质说就会整个儿土崩瓦解。测量比热容的方法非常简单，而理论的命运就取决于如此简单的测量。在物理学史上，常常发生这种实验判决理论生死的情况，这些实验也被称为判决性实验。实验的决断价值只能通过提出问题的方法来显示，关于现象的理论中只有一种能解释这样的实验。无论是通过摩擦还是传热得到相同温度，测量两个同性质物体的比热容就是典型的判决性实验。这个实验大约是在150年前由伦福德完成的，并给予热质说致命一击。

伦福德自己的记录可以叙述这个故事：

这时常发生——思考自然界运行最奇妙的奥秘的机会总是出现在日常事务和闲暇消遣中；而极为有趣的科学实验也往往可以毫无困难且无须成本地实现，只利用为完成工艺和制造业目标而制造精妙器械的机械就可以。

我常常有机会做这样的观察，也不断确认睁大眼睛观察和思考日常生活事务中发生的一切，无论是纯属意外还是天马行空的想象，往往会产生有用的质疑或用以观察和改进的合理方案；这比所有不做任何研究的纯粹哲学冥想更有效。

被俗务缠身之后，我厌倦了无聊的炮弹，在慕尼黑军事武器库的工作室里，我被数量相当可观的热吸引，这是黄铜枪在极短时间内射出子弹所需要的热量，用钻机分离金属片也需要同样多的热（比烧开水要的更多，通过实验我发现了这一点）……

这些热是从上述提到的机械制造过程中产生的吗？

是钻机从大量固体金属中分离的金属屑产生的吗？

如果真是如此，那么根据当代潜热和热质说，它们的比热容不仅能被改变，而且，这个改变应该足够大才能解释热量的产生。

但并没有发生这样的变化，我发现，用锯子锯下同一块金属上与这种金属片同质量的薄片，先把它们放在相同温度（此处是烧开的水）里，再放到相同温度的冷水中（这里指的是59.5℉），投入金属片的水和放入薄片的水相比并没被加热得更多或更少。

最后，我们来看他的结论：

而且，在推论中，我们不能忘了考虑最显著的情景，也就是在这些实验中由摩擦产生的热似乎是无穷无尽的。

不必强调的是，任何绝缘的物体或一系列物体能无限制地提供的东西绝不可能是物质；且不说毫无可能，凡是能够像热在这些实验中激发和传导的东西，除运动之外，我很难想到其他了。

这样，我们见证了旧理论的崩溃，或者更确切地说，我们看到热质说在热问题上的局限性。再一次，正如伦福德已经暗示的，我们必须找到新的线索。要这么做，我们得先放下热的问题，回到经典力学。