英国物理学家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule，1818年12月24日 ─ 1889年10月11日）的名字家喻户晓。焦耳（Joule）是国际标准中热和功的单位，但许多人对焦耳本人的经历所知不多。事实上，这位物理学巨匠是一位没有学历和文凭的"民间科学家"。
James Prescott Joule本文转载自公众号"集智俱乐部"
撰文 陈关荣（香港城市大学电机工程系讲座教授，混沌与复杂网络研究中心主任）
1818 年圣诞节前夜，焦耳出生在英国曼彻斯特城郊的 Salford，5 岁时被发现脊椎侧弯，随后几年多次在医院进行矫正，但最终以失败而放弃，让他终生不能笔直站立。
焦耳在小学读书时因身体缺陷常被同学嘲笑，并因喜欢在课本上涂鸦屡被老师批评。父亲无奈，只好让焦耳休学，留在家里由阿姨管教，直到他 15 岁为止。平时，焦耳喜欢躺在床上看书。有一次，焦耳对父亲说："书本是我最好的旅游去处。"这让父亲想起了被称为"旅游教师"的约翰·道尔顿（John Dalton，1766-1844）。道尔顿经常上课时带学生们去郊游，在野外指导学生观察、试验、计算和讨论。父亲把焦耳送进了道尔顿主办的私校就读，并请道尔顿当他的监护人。
在学校里，道尔顿主要讲授初等物理、化学和数学。他本人后来成为著名的物理学家和化学家，56 岁时成为皇家学会院士，因为第一个提出"物质由原子组成"的学说而闻名于世，今天原子量的单位便以他命名。
在道尔顿的指导和影响之下，焦耳逐渐走上了科学实验的道路。那时候学校没有实验室，他自己在家中的地窖里做实验。他早期的大多数实验基于电学。他在地窖里放满电池、电磁铁、马达、发电机和检流计，其中大部分是自己动手制造的。也许是由于少年失学的缘故，动手做实验比读书对他来说更具吸引力。焦耳最终没有完成任何正式的学历，更谈不上取得什么学位。
被拒稿多次的焦耳定律
"热"是什么呢？这曾经是个千古难题。十八世纪末，虽然工程师詹姆斯·瓦特（James Watt，1736-1819）制造了工业用蒸汽机，但是人们对其中的热能传递和转换机理并不清楚。当年，为了解释热的物理本质，"热质"理论（caloric theory）非常流行，包括被称为"热力学之父"的法国物理学家萨迪·卡诺（Nicolas L。 Sadi Carnot，1796-1832），都说热是一种没有质量的气体，物体吸收热质后温度就会升高，而且热质可以穿过固体或液体的孔隙从高温处流到低温处。
受到道尔顿"原子论"的启发，焦耳倾向于认为热是原子的运动，热传导就是原子运动的"能量"从一个物体转移到另一个物体上去。但这想法需要有极为精确的实验加以证明。焦耳一系列的实验担负起了这一艰难的重任。
1838 年，焦耳 20 岁的时候设计了一个实验，将一个小线圈绕在铁芯上，用电流计测量感生电流，然后把线圈放入容器内的水中，再测量出水温，最后计算出热量。因为没有外界电源供电，水温的升高只能是电能转化为热的结果。这样产生出来的热，后人称为"焦耳热"。同年，焦耳在《电学年鉴》（Annals of Electricity）上发表了他第一篇学术论文"On electro-magnetic forces"，宣称"我的目标是，首先发现正确的原理，然后指出它们在应用上的发展"，并报告了他发现电流可以做功的现象。
1840 年，22 岁的焦耳在爱尔兰 Cork 市召开的英国科学促进会的会议上报告了上述实验结果。但在座的科学家们毫无兴趣。当时很多人对这全新发现的来龙去脉一无所知，还有一些人对焦耳的测量精确性存有怀疑，更有一个可能的原因是他们对这位没有学历的业余科学家并无太大的信心。
同年，焦耳把实验报告写成论文"On the Production of Heat by Voltaic Electricity"，详细描述了他的实验结果，投到《皇家学会学报》（Philosophical Transactions of the Royal Society），但被退稿。于是他改投到《皇家学会会讯》（Royal Society Proceedings），再遭拒绝。最后，焦耳把稿件投去《哲学杂志》（Philosophical Magazine）。这次，杂志同意审稿了。可是，审稿人要求他多做很多实验以验证其结果的正确性。年少气盛的焦耳不高兴了，反过来拒绝了杂志。他回信说："任何的机械能量释出，最后都将转换为热量。能量不灭的法则获得上帝的许可证。这是大自然最重要的法则之一。"这其实是科学史上著名的"能量守恒定律"（Principle of Conservation of Energy）的第一次呐喊。结果不言而喻，焦耳又被退稿了。
焦耳据理力争。终于，在次年的《哲学杂志》上发表了这篇论文，报告了他的实验结果："电流在导线中所产生的热量，等于电阻乘以电流的平方"，这就是后来著名的"焦耳定律"（Joule's Law）。四年后，俄国物理学家海因里希·楞次（Heinrich F。 E。 Lenz，1804-1865）发表了独立的实验结果，从旁证实了焦耳的这个电热效应。该定律后来也称为"焦耳-楞次定律"。
风云人物
那些年，没有学位的焦耳四处碰壁，很不得意。不知什么缘故让他鼓起勇气，将自己的研究报告寄给了学术泰斗迈克·法拉第（Michael Faraday， 1791-1867）[1]。1843 年 3 月 24 日，慧眼识真金的法拉第回信了，高度地评价了焦耳的工作："。。。我知道在这领域里仍有许多朦胧不清之处，但你的文章却如曙光破晓。我不得不说，你在自然科学的这个领域做出了非常重要的贡献。"
于是，焦耳关于能量转换和守恒的研究论文被《皇家学会学报》接收发表。科学界从此知道，圈子里来了一位二十多岁的新星，他建立了热力学第一定律也就是能量守恒定律，证明了电和热之间的能量转化满足总量守恒关系，那是自然界中的一个普适的基本规律。
接下来，焦耳还试图弄清楚机械能和热的定量关系。1842 年，德国医生、化学家和物理学家罗伯特·冯·迈耶（Julius Robert von Mayer，1814-1878）在《化学与药学年鉴》（Annalen der Chemie und Pharmacie）发表了一篇论文，指出单位机械功所产生的热量是一个常数，不过他没能给出这个常数的数值。1843 年，焦耳在不知道上述德文文章的情形下，在家中的地窖里独立地做了一个成功的压缩气体加热的实验，以及一个十分精确的机械运动生成热的实验。
在这个实验中，他让钢锤自由落下，驱动中间的转轴从而带动容器水中的旋桨转动。他通过对水温的升高来测得旋桨与水磨擦而产生的热量。然后，他把温度的改变与水的比热相乘，便得到一个数值。反复实验之后，焦耳发现"无论在何处消耗机械力，都会最终获得精确相同的热量。"由此他确定了：单位机械作功所产生的热量是个常数，他称之为"热功当量"（mechanical equivalent of heat）。他还精确地测出了这个常数，用今天的标准单位来说就是 4.18 焦/卡。虽然后人发现法国物理学家萨迪·卡诺的"热质"学说经量化之后.............
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