日期：2017-08-15 22:19:36

　　下面开始介绍热力学和统计力学，后面介绍光的一些故事，由光到相对论。因为相对论本身就是因为光速不变与伽利略协变之间的悖论导致的。
　　日期：2017-08-15 22:30:18
　　第二十三回：热的简史
　　麦克斯韦在研究电磁的时候，将力线类比流体力学，将电磁的传递方式类比于热。“如果人类对某一个未知领域还含糊不清的话，将其类比于已有的定律是最好不过的了”，这便是麦克斯韦所说的“物理类比法”。麦克斯韦时代的热和光又是怎样的光景呢？
　　在所有的物理研究中，应该没有比研究热现象更早的了。人类研究热现象估计在大约4万年前，那时候人还住在山洞里，所以称为“穴居人”。他们还不能说是真正意义上的人，因为他们的大脑尚不够发达，只能使用简单的工具，但是热渐渐改变了一切。当时热主要来源于太阳，而阴天或者晚上时则来源于火。穴居人发现各种食物放在火上烧或者开水里煮一下，味道会更好，同时肚子也好受一些，当然他们还不知道煮熟的食物对大脑有多大的影响。在整个人类文明的进化史上，没有比对火的使用更具有意义了。

　　研究的早不代表进展的快，要想穴居人在研究热方面有什么进展那是天方夜谭。甚至到古希腊时代，聪明的古希腊人对热的研究也鲜于记载。
　　转眼到了伽利略时代。伽利略本是一名医生，医生会接触一些发烧的病人，伽利略发现这些病人的体温和正常人是有差别的，但是光靠手摸实在是太敷衍了事了，应该有一个测量温度的仪器。为此伽利略又陷入苦思冥想之中。
　　忽然某天，他看到孩子们玩的一个玩具，据说是古希腊人制造出来的（如下图左图）：一个中间有水的U型槽，一端密封，另外一端用铅球密封，当给铅球加热时，对面的水位升高——这是根据热胀冷缩的原理制成的。伽利略灵感初来，但是制成一个能使用的温度计还是花费了很长的时间。1593年，人类历史第一个温度计诞生了（下图右图）：

　　一个带玻璃球的玻璃管，上面含有空气，玻璃口插入器皿中，器皿含有带颜色的液体，当玻璃球的温度升高，颜色水柱会下降，在玻璃管上标相等的刻度，便可测量温度了。伽利略的温度计有着划时代的意义，终于人类对温度的研究进入了定量分析时代。伽利略本人没有将他的温度计发扬光大，在以后的岁月了他忙着研究时髦的天体去了。
　　伽氏温度计缺陷很多，比如病人总不能站起来把咯吱窝放到玻璃球上吧。于是1632年法国人简雷设计了一个新的温度计：将伽氏温度计倒置过来。但是依然没有办法解决温度计中液体的挥发、大气压的干扰和水容易结冰的问题。
　　到了1657年，伽利略的一个学生斐迪南制作了一个密封的温度计，并用酒精代替了空气。但是酒精的沸点比水还要低，所以根本无法测量开水的温度，于是法国人布里奥用水银代替酒精。
　　至此时，温度计面临着一个致命的问题。它就像一把尺子，如果没有标准，谁也说不清一米长还是一丈短，所以温度计也需要一个标准的刻度，简称温标。当时有很多人制作新的温度计，每个温度计都有不同的标准，比如丹麦天文学家罗默（Romer，1644—1710）就以酒精的沸点表示成60度。与罗默同时代的胡克和牛顿等人对热和温度也有一定的研究，他们都意识到该制定一个标准的温标了，但是都没有付诸于行动。

　　直到1714年，荷兰物理学家华伦海特（Fahrenheit，1686—1736）制作了很多同样刻度的温度计，他认为罗默等人的温标有个明显的缺陷，容易导致负数，即零下多少多少度。他把水银温度计放到冰雪和盐的混合物中，画个线作为0度，然后又把温度计含到嘴巴里，画个刻度。他在两个刻度之间化了24个格子，每个作为1度。后来他又觉得格子的距离太大，不够精确，又将每个格子划成4小格，也就是说人的体温是96度了。这就是华氏温标的由来，和今天的华氏温标还是有些出入。华氏温标记为℉。

　　在数字中，人类毕竟还是喜欢10、100这样的整数。于是1742年瑞典人摄尔修斯（Celsius，1701—1744）引入了百分刻度法。他将一个大气压下的水的冰点作为0度，将水的沸点作为100度。这就是中国日常使用的摄氏温标，记为℃。
　　温度有了标准，热又是什么呢？一切还得从常见的产生热的火说起。
　　火是什么？这是上古时代就有的讨论，结果古人一致将火列为一种元素，比如中国的五行说。火不是独立存在，它只有在燃烧时才有。英国人罗伯特波义耳（Boyle，1627—1691）在小弟罗伯特胡克的协助下得出结论：物体只能在空气中才可以燃烧。他认为火是有一种叫“火素”的微粒组成的。
　　那么燃烧的本质又是什么呢？直到1669年，德国化学家贝歇尔（Becher，1635—1682）类比“火素”，提出了“燃素说”的初步设想，将燃素和土、气等归为一类， 他认为物体在燃烧时，燃素会溢出，留下了“灰烬”。

　　1703年，贝歇尔的学生施塔尔（ Stahl，1659—1734），直接将燃素赋予物质本身，他认为火是由无数小小的微粒组成的，而构成这种小小微粒的便是“燃素”。燃素存在于物体体内，被燃烧时便会以火焰的形式溢出。如此说来，灰烬一定比原物要轻，这些都在木头、煤油、酒精等等物体的燃烧中得到很好的验证。
　　在余下的半个世纪里，人类一直虔诚地信奉者燃素说。那时候，人类尚未认识到空气的属性，以为空气是单一的元素组成的——和牛顿之前对白光的认识一样。
　　1755年英国化学家约瑟夫布拉克（Black，1728—1799）在煅烧石灰石得到一种新空气（二氧化碳），但是这种新空气不阻燃，所有也不含燃素，而且新的空气很容易和碱性的物质结合起来，故而又称为“固定气体”。布拉克是化学和物理的两栖科学家，火能产生热，但是热未必都是从火中产生的。比如一杯水，有冷有热。他做了一个实验：两杯同量的水，一杯40度，另外一杯60度，混合后水温正好是50度，于是他类比于“燃素”提出了新的概念“热素”。他认为“热素”是一种没有重量的、可以流动的物体，存在于物体内部，看不见摸不着。与此同时，他将等量0度的冰与60度的水放在一起，最终温度远小于30度。他继续研究，发现0度的冰转化为0度的水要需要热，也就说热和温度不是一回事，他提出了“潜热”的概念。

　　到了1774年，英国化学家普里斯特利（Pricstiey，1733—1804）在实验中获得了另外一种新空气（氧气）。他发现蜡烛等物体可以在这种新空气中燃烧，而且还更加激烈。普里斯特利一生发现了很多气体，被人誉为“气体化学之父”，每种气体的助燃性不一样，有的强有的弱，有的不能助燃，而助燃性最强的当时刚才提到的“新空气”。于是普里斯特利认为燃素不仅存在于物体中还存在气体中，燃烧时两种燃素的化合；当气体的燃素多时，就不需要那么多燃素，故而助燃性就弱，反之则强。而助燃性最强的“新空气”应该是没有燃素的，所以普里斯特利将其命名为“去燃素气体”。