被上帝引导的大实验家焦耳

珍妮

詹姆斯•焦耳（James Joule, 1818-1889），英国物理学家，发现了热和功之间的转换关系，提出能量守恒定律，最终用实验发展出热力学第一定律（此定律暗示宇宙不能自我创造），成为热力学这门新科学的创始人。焦耳在物理学有关机械运动与热能范畴上的研究使他闻名於世，因此人们将能量或功的单位称作“焦耳”。除此之外，焦耳还发现了导体的电阻，和电流及其产生热能之间的关系，也就是常称的焦耳定律。

自学成才的科学家

1818年焦耳生於英国曼彻斯特，父亲是一位酿酒师。由於自幼体弱不能上学，15岁以前在家自学。16岁时焦耳跟着名的英国物理兼化学家约翰•道尔顿学习化学丶物理和数学，为後来的研究奠定了理论基础。跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生，激发了焦耳对化学和物理的兴趣，并在道尔顿的鼓励下决心从事科学研究工作。焦耳在1835年进入曼彻斯特大学就读。20岁时，焦耳利用他父亲的实验室从事研究，把全部精力投入到发明电动机上。1838年他的第一篇关於电学的科学论文发表在《电学年鉴》上，引起了人们广泛的注意。

发现焦耳定律

1840 年焦耳发现了“磁饱和状态”，对由电流而产生的热能进行了长期的实验性研究。他把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温，得出了焦耳定律。同年12月，焦耳在英国皇家学会上宣读了关於电流生热的论文，提出电流通过导体产生热量的定律。四年後，俄国物理学家楞次发表了自己的实验结果，进一步验证了焦耳关於电流热效应的定律。因此，该定律也被称为焦耳－楞次定律。

提出能量守恒定律

焦耳的主要贡献是钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。1843年他在英国《哲学杂志》发表了论文《关於电磁的热效应和热的功值》，没有得到支持和强烈反响。但在这篇文章中，焦耳直截了当地抛弃了热质说，他的神学观点也变得很明显：“因为坚信毁灭的力量只属於造物主，我断言……任何理论，如果在提出时要求了湮灭的力量，就肯定是错误的。”此後， 他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法丶设备丶材料各不相同，结果却相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近於一定的数值。1849年焦耳提出能量守恒与转化定律，奠定了热力学第一定律（能量不灭原理）的基础。他近40年不懈的研究工作，为热运动与其他运动的相互转换丶运动守恒等问题提供了无可置疑的证据，因此成为能量守恒定律的发现者之一。

在热力学方面的成就

1847年焦耳与英国着名物理学家开尔文合作进行能量守恒等问题的研究。1852年焦耳和开尔文发展了温度的绝对尺度，发现气体自由膨胀时温度下降的现象，被称为焦耳－汤姆孙效应。这个效应後来被广泛应用於低温和气体液化方面。

荣誉及影响

1850年焦耳当选为英国皇家学会会员。由於在电丶热学和热力学方面的贡献，英国皇家学会授予焦耳最高荣誉的科普利奖章（Copley Medal）。

1872年之後，焦耳的健康日益恶化，几乎停止了科学研究工作。1889年焦耳在英国的家中逝世。後人为了纪念他，把能量或功的单位命名为“焦耳”，简称“焦”；并用焦耳姓氏的第一个字母“J”来标记热量。

十八世纪，人们对热的本质的研究走上了一条弯路，“热质说”在物理学史上统治了一百多年。虽然曾有一些科学家对这种错误理论产生过怀疑，但一直没有办法解决热和功之间关系的问题，是英国自学成才的物理学家焦耳最终为解决这一问题指出了道路。无论是在实验还是在理论上，焦耳都是从分子动力学的立场出发，进行深入研究的先驱者之一。

顺从上帝的旨意

焦耳是虔诚的基督徒，广为人知的是他的信心和谦卑。在去世前两年，焦耳说：“我一生只做了两三件事，没有甚麽值得炫耀的。”他乐意寻求并遵守上帝的旨意，看到自己的研究结果与圣经中的真理毫无抵触与矛盾。他有很多科学家同伴与他有相同的信仰，以至於拒绝达尔文进化论的行动横扫英格兰。1864年717位科学家在伦敦联名签署一份意义深远的声明，称为“自然和物理科学门生的宣言”，当中确认他们深信圣经与科学彼此吻合无误。在签署声明的科学家中焦耳是最为突出的一位。他确信上帝是创造主，并且为自己定下优先次序，他说：“在知道和顺从上帝的旨意之後，接下来的目标就是去认识上帝的神性丶智慧丶能力和善良，这一切都可从祂的创造中显明出来。”

焦耳的墓碑上刻有数字“772.55”，这是他在1878年的关键测量中得到的热功当量值。墓碑上还刻有约翰福音九章4节的经文，“趁着白日，我们必须做那差我来者的工；黑夜将到，就没有人能做工了。”