人們通常把牛頓1687年出版《原理》視為定量理論物理學(xué)建立的里程碑。 當(dāng)時(shí)惠更斯、萊布尼茨等科學(xué)家已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到，運(yùn)動(dòng)物體碰撞后，除了動(dòng)量外，某些物理量是守恒的，他們稱之為“活力”，其定義為物體的質(zhì)量×速度×速度。 他們發(fā)現(xiàn)，在某些影響下，活力得以保留。 現(xiàn)在回想起來，這大致定義了運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能。
當(dāng)然，這些專家很快意識(shí)到生命力并不總是守恒的。 今天我們知道，動(dòng)能只有在不轉(zhuǎn)化為其他形式的能量時(shí)才守恒，而在實(shí)際碰撞中動(dòng)能常常轉(zhuǎn)化為熱能。 然而，“熱”的概念在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界還很模糊。 在原子理論還不存在的時(shí)代，要弄清楚熱的含義確實(shí)很困難。
到了18世紀(jì)，以法國科學(xué)家拉瓦錫為首的學(xué)者開始提出熱量理論。 人們相信熱是一種流動(dòng)、傳播且永不消失的物質(zhì)。 它有自己的排斥力，驅(qū)使它向外擴(kuò)散。 該理論可以解釋不同物體的不同熱容，以及熱脹冷縮現(xiàn)象。 但這并不能解釋為什么相同溫度的錘子敲擊金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。 因此，人們提出了“勢(shì)熱”的概念來補(bǔ)充熱量理論。
這個(gè)理論與18世紀(jì)剛剛發(fā)現(xiàn)的電現(xiàn)象非常吻合，因此18世紀(jì)的物理學(xué)家開始?jí)粝胍粋€(gè)“一切都是流體”的標(biāo)準(zhǔn)模型。 到了18世紀(jì)末，盡管熱量理論仍然存在一些無法進(jìn)一步解釋的問題，例如摩擦為什么會(huì)產(chǎn)生熱量，但它已經(jīng)成為當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)物理理論。
熱量理論本身當(dāng)然是錯(cuò)誤的，但在揭示其內(nèi)部問題的過程中，能量守恒定律開始慢慢顯現(xiàn)出來。 在這個(gè)過程中，有三個(gè)關(guān)鍵人物。
第一個(gè)是厄爾·拉姆福德什么叫能量守恒定律，他的真名是湯普森。 他是一位發(fā)明家、軍人、科學(xué)家和貴族。 他是一個(gè)好奇心極強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的探索精神和創(chuàng)業(yè)精神的人。 他一生經(jīng)歷過許多冒險(xiǎn)。 他在商業(yè)上并不成功。 他在制造炸藥時(shí)差點(diǎn)自殺。 他娶了一個(gè)富有的寡婦，一夜暴富。 后來，他因支持英國獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)而拋棄妻子出逃。 他定居巴伐利亞，并因多項(xiàng)發(fā)明而被禁止。 主啊，終于榮耀歸來了。 在他的一生中，他對(duì)科學(xué)有著濃厚的興趣，并進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)。
拉姆福德最偉大的成就是用鏜刀在水中摩擦槍管的實(shí)驗(yàn)。 在摩擦過程中，極少量的物質(zhì)損失，并產(chǎn)生大量的熱量，動(dòng)搖了熱量理論的基礎(chǔ)。 他進(jìn)一步提出了熱力學(xué)理論，指出熱是一種運(yùn)動(dòng)形式，而不是物質(zhì)。 然而，在拉姆福德的一生中，熱力學(xué)理論并沒有被廣泛接受。
19世紀(jì)初，天文學(xué)家赫歇爾研究了不同顏色光的不同加熱效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)除了肉眼看不見的紅光以外的區(qū)域具有更強(qiáng)的加熱效應(yīng)。 盡管他沒有意識(shí)到，這是科學(xué)史上首次有記錄的紅外光發(fā)現(xiàn)。 事實(shí)上，具有最強(qiáng)熱效應(yīng)的光譜（紅色/紅外）與具有最強(qiáng)亮度的光譜（黃色）不匹配，這對(duì)物理學(xué)家來說是一個(gè)謎。 電磁輻射與物質(zhì)相互作用的影響直到一百多年后才被發(fā)現(xiàn)。 熱量理論的支持者提出，光束和不可見熱量光束的存在“完美”地解釋了這一現(xiàn)象。 當(dāng)時(shí)，沒有人懷疑光是一種物質(zhì)，因此在19世紀(jì)初，熱量理論變得更加強(qiáng)大。
下一個(gè)挑戰(zhàn)熱量理論的人是德國醫(yī)生邁耶。 這也是特立獨(dú)行的性格。 拿到行醫(yī)執(zhí)照后，他不顧父母的反對(duì)，決定“世界那么大什么叫能量守恒定律，我要去看看”。 于是他當(dāng)了一名船醫(yī)，乘坐三桅船爪哇號(hào)前往印度尼西亞。 這次旅行奠定了他在科學(xué)史上的地位。
航程歷時(shí)101天，其中67天在海上，看不到陸地。 船上醫(yī)生的工作還是比較輕松的。 邁耶大部分時(shí)間都在閱讀科學(xué)書籍、思考以及與他的團(tuán)隊(duì)聊天。 1840年，這艘船終于抵達(dá)了今天的雅加達(dá)。 幾名船員抵達(dá)港口后感染了肺部疾病。 19世紀(jì)的醫(yī)療習(xí)俗是生病時(shí)先放血。 在放血過程中，邁爾驚訝地發(fā)現(xiàn)，船員們的靜脈血呈鮮紅色，更接近他所熟悉的動(dòng)脈血的顏色。 他與當(dāng)?shù)仄渌t(yī)生交談后發(fā)現(xiàn)，這在印度尼西亞很正常。
當(dāng)時(shí)的醫(yī)學(xué)已經(jīng)知道人體需要消耗血液中的氧氣才能產(chǎn)生熱量。 邁爾因此得出結(jié)論，熱帶地區(qū)不需要那么多的熱量來維持體溫，導(dǎo)致血液中的耗氧量較少，靜脈血中的含氧量較高。 當(dāng)然，其實(shí)用熱量理論也可以解釋為身體吸收了更多的熱量。 但邁爾的直覺告訴他，大氣的熱量和人體的熱量之間存在著平衡，存在著某種守恒定律的物理概念。 據(jù)說，他在雅加達(dá)時(shí)與水手聊天得知，暴風(fēng)雨過后海水總是更熱，大風(fēng)浪的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。 就這樣，邁爾終于得出了“能量”的概念。 在他之前，許多人認(rèn)識(shí)到熱是一種運(yùn)動(dòng)形式，但邁爾是第一個(gè)認(rèn)識(shí)到“熱”以多種形式存在并且可以在它們之間自由轉(zhuǎn)換的人。
返回德國后，邁爾繼續(xù)行醫(yī)，并開始尋找發(fā)表論文的方法。 他在物理學(xué)界默默無聞的同時(shí)遇到了許多障礙。 最后，他在1842年5月發(fā)表了論文《論無機(jī)世界中的力》，該文排名論文第一。 節(jié)能的概念首先被提出。 在他的論文中，他將能量稱為“力”。 這篇論文中有很多超前于時(shí)代的概念，比如物質(zhì)和“力”之間的平行關(guān)系，兩者都可以自由變換成不同的形式，但總量是守恒的。
不幸的是，由于運(yùn)氣和政治因素，邁爾的論文并沒有引起人們的注意。 后來，他在1842年發(fā)表了另一篇論文，描述了自然界中的五種能量：勢(shì)能、動(dòng)能、熱能、電磁能和化學(xué)能，并解釋了五種能量之間的轉(zhuǎn)換。 1847年，焦耳發(fā)表了一篇關(guān)于熱功等效的論文。 也許是感受到了威脅，焦?fàn)栐谖恼轮蟹瘩g了邁耶的計(jì)算。 隨后，雙方進(jìn)行了多次辯論。 在學(xué)術(shù)界并不出名的邁爾被擊敗了。 他的兩個(gè)女兒相繼去世。 隨后，承受不了學(xué)業(yè)和生活雙重打擊的邁爾精神崩潰，被關(guān)進(jìn)了瘋?cè)嗽骸?直到 1862 年他才出院。
幸運(yùn)的是，他的理論引起了幾位科學(xué)家的注意。 愛爾蘭物理學(xué)家約翰·廷德爾傳播了他的理論，并使學(xué)術(shù)界認(rèn)識(shí)了梅耶爾。 一位不知名的德國醫(yī)生被認(rèn)為對(duì)熱進(jìn)行了最先進(jìn)的研究，這極大地?fù)p害了英國人的自尊。 但隨之而來的無休止的爭(zhēng)論讓邁爾的名字廣為人知。 1871年，邁爾終于獲得了倫敦皇家學(xué)會(huì)的獎(jiǎng)?wù)拢员碚盟麑?duì)科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)。
拉姆福德和邁耶的思想雖然具有劃時(shí)代性，但他們都不是科班出身，理論也不嚴(yán)謹(jǐn)。 真正量化能量守恒定律的人就是前面提到的焦耳。
焦耳是啤酒廠老板的第二個(gè)兒子。 他和弟弟出身于富裕家庭，好奇心很強(qiáng)，從小就受到了良好的教育。 他們師從倫敦皇家科學(xué)院物理學(xué)家、原子理論的發(fā)明者約翰·道爾頓。 他也在那時(shí)接觸了新發(fā)明的電動(dòng)機(jī)。 Young Joule聲稱：“我確信未來電力將取代蒸汽來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。” 1838年，年僅19歲的焦耳發(fā)表了一篇關(guān)于改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的論文。
此后，焦耳一直致力于改進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但他很快就遇到了瓶頸。 無論他如何改變磁鐵的設(shè)計(jì)，都無法增加電機(jī)的功率。 后來，他意識(shí)到所有這些電機(jī)都連接到同一個(gè)電池上，并了解到限制電機(jī)功率的原因是電池本身。 于是他發(fā)明了檢流計(jì)來測(cè)量電流的強(qiáng)弱，立即發(fā)現(xiàn)電流的強(qiáng)弱與電磁鐵的磁力之間存在著數(shù)學(xué)關(guān)系。
和拉姆福德和邁耶一樣，焦耳有一段時(shí)間癡迷于建造永動(dòng)機(jī)，他在這個(gè)過程中遇到了各種限制。 他最終將電動(dòng)機(jī)的效率提高到了當(dāng)時(shí)可以達(dá)到的極限，但他清楚地意識(shí)到這是一個(gè)死胡同。 有一種他不理解的力量限制了電機(jī)的效率。
他轉(zhuǎn)而研究熱與電之間的關(guān)系。 他在這條路上越走越遠(yuǎn)，很快發(fā)現(xiàn)電加熱和熱電解之間存在著恒定的關(guān)系。 熱能和電能以固定的比例相互轉(zhuǎn)換。 他由此直接得出結(jié)論：電池產(chǎn)生的熱量與參與化學(xué)反應(yīng)的原子數(shù)量成正比。 從我們今天的角度來看，這幾乎是能量守恒定律的直接表述。
在建立了電能、化學(xué)能和熱能之間的關(guān)系后，焦耳現(xiàn)在唯一不確定的是機(jī)械能，但隨著他對(duì)電動(dòng)機(jī)的興趣，它們之間的聯(lián)系是不可避免的。
最后，1845年，焦耳設(shè)計(jì)了一個(gè)熱能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)，并測(cè)出了熱功當(dāng)量：將1磅水的溫度升高1華氏度所需的熱量可以換算成所需的熱量。用一只腳舉起 838 磅重的物體。 所需的機(jī)械力。
但這個(gè)想法還是太超前了，花了幾年時(shí)間才得到廣泛支持。 后來，物理學(xué)家雷諾這樣評(píng)價(jià)，語氣不無諷刺：
對(duì)于現(xiàn)在的讀者來說，焦耳的早期論文被當(dāng)時(shí)許多著名的物理學(xué)家忽視可能會(huì)感到驚訝和憤怒。 他們覺得那一代學(xué)者充滿了偏見和短視。 但事實(shí)上，這是焦耳在自然哲學(xué)方面取得的巨大進(jìn)步所獲得的最高獎(jiǎng)?wù)隆?span style="display:none">t1T物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
所以走在時(shí)代前面的人總是孤獨(dú)的。 幸運(yùn)的是，這些年來焦耳的受歡迎程度逐漸提高。 1847年，在倫敦皇家學(xué)院演講時(shí)，一位聽眾起初持懷疑態(tài)度，但在焦耳演講后被說服，兩人一拍即合。 他就是威廉·湯普森，后來的開爾文男爵，一位年輕的科學(xué)家，當(dāng)時(shí)已經(jīng)是英國科學(xué)界的明星。 在湯普森的支持下，焦耳很快就獲得了科學(xué)界的廣泛支持。 能量守恒終于得到了廣泛的接受。
焦耳在描述能量時(shí)仍然使用“活力”這個(gè)詞。 英語中這個(gè)詞是由蘇格蘭工程師于1853年創(chuàng)造的。它來源于古希臘語?ν?ργε?α的變體，意思是活動(dòng)或操作。
能量守恒定律的第一個(gè)影響是終止了許多永動(dòng)機(jī)的創(chuàng)造。 它在科學(xué)上最著名的應(yīng)用是β衰變。 20 世紀(jì) 20 年代，科學(xué)家們意識(shí)到能量在這種衰變中并不守恒。 雖然當(dāng)時(shí)有些物理學(xué)家想用這個(gè)來推翻能量守恒定律（看你玻爾），但泡利在1930年提出，衰變中的能量差異可能對(duì)應(yīng)于一個(gè)不帶電荷、幾乎無質(zhì)量、幾乎不平衡的相互作用粒子事情。 十多年后，這種“幽靈粒子”被發(fā)現(xiàn)并命名為中微子（β衰變實(shí)際上會(huì)發(fā)射反中微子）。
1915年，德國數(shù)學(xué)家埃米·諾特證明了著名的諾特定理，該定理從數(shù)學(xué)層面奠定了所有守恒定律的基礎(chǔ)。 該定律的松散表述是：任何具有連續(xù)對(duì)稱性的系統(tǒng)都會(huì)有相應(yīng)的守恒量。 也就是說，每一個(gè)連續(xù)的對(duì)稱變換都對(duì)應(yīng)著一個(gè)守恒定律，而時(shí)間平移（即物理定律不會(huì)因時(shí)間變化而改變）下的對(duì)稱性所對(duì)應(yīng)的守恒量正是能量。 這正式確立了能量守恒的先決條件，并為其在相對(duì)論和量子力學(xué)中的應(yīng)用奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
