热力学的发展与高精度实验技术的密切关系

与此同时，理论、实验与技术的互相激励也开始渐入佳境了。我们之前说到，事实上在18世纪，理论科学与工业革命的发展是脱节的，互相之间并没有直接的影响。但这种说法非但现在的许多科普作家都不承认，当时的许多人也不承认。在18世纪，许多人都相信科学研究能够推动技术发展，推动社会进步。培根就说“知识就是力量”，这是当时的时代精神。

比如在18世纪就流传有许多故事，例如说钮可门曾经接受过胡克的指导，瓦特受到布莱克潜热理论启发等，无论事实如何，这些故事的流传至少证明人们普遍愿意相信科学对技术的推动作用。

显然，在钮可门到瓦特的时代，技术并没有成为所谓“应用科学”，理论科学并没有直接对技术发明提供指导。但如果说完全没有关系也不恰当。科学向技术的影响是复杂而间接的。比如蒸汽机起源于真空泵传统，最早设计出活塞蒸汽机实验原型的丹尼斯·帕潘（Denis Papin）当过波义耳的助手，接替了胡克，而钮可门最终是综合了萨弗里和帕潘的构思，发明出他的蒸汽机的。这么说来钮可门与胡克也并非没有关系。而瓦特的确在布莱克的指导下在潜热理论和化学领域颇有钻研，他认为热是一种物质，而水蒸气是水与“热质”的化合。在这种“化学”观念的启发下，瓦特把改良的重点放在蒸汽的冷凝环节，最终取得成功。

但这些关联始终是间接而带有偶然性的，离后世的产学研联盟相距甚远。但无论如何，这些关联无论是出于偶然还是纯属误会，最终都增长了人们的信心，下到民众，上到政府，越来越多的人相信科学是能够实用的。

图14.3.1　这座横跨梅奈海峡的铁桥最终采用特尔福德的设计，于1824年竣工，至今仍在使用。图为1840年版画

例如在1800年左右，英国计划建造一座跨度约180米的单跨铸铁桥^[4]（图14.3.1）。议会就决定成立两个委员会，一方的人员是数学家和自然科学家，另一方的人员是有经验的建筑师，然后综合两方的意见来开展应用。结果几乎是个闹剧，一些理论家的提议成为笑柄。当时的剑桥大学卢卡斯教席米尔内感慨说：“也许（理论家们）看起来有学问，能够根据想象出来的假说进行冗长而复杂的计算，而且符号和数字也可能绝对正确，精确到了最小的小数，但是，大桥仍然不安全。”^[5]

虽然理论科学家这一次没派上用场，但是人们确实对理论科学寄予厚望。这种愿望本身就是一种激励机制，让理论科学家更注重实验研究和实践活动；也让工匠的社会地位提高，让工匠传统自觉地走向理论化。(www.xing528.com)

理论与实践相结合的美好愿望在19世纪成为现实。首先是对实验科学和技术经验的理论化，例如法国物理学家卡诺在1824发表《论火的原动力》，首次对蒸汽机的工作原理作科学分析，提出“卡诺循环”，这是可以描述一切热机的理论模型。

焦耳（公元1818年—1889年）在1840年左右发现电流的热效应，他还以很高的精度测量了热功当量，也就是一定重量的物体下落一定高度做的功相当于让一定的物质升高一定温度。

19世纪40年代，多位科学家各自独立提出能量守恒定律（也就是热力学第一定律），现在一般认为最早提出者是德国医生迈尔，但系统地表述这一原理的是德国物理学家赫尔姆霍茨（1847年）。

然后是德国物理学家克劳修斯在19世纪50、60年代提出热力学第二定律。热力学作为一门理论科学成熟起来了，其发展与实验研究，特别是与高精度的测量技术密不可分。

其次，越来越精确的实验和观测开始为理论科学提供支持。例如三百多年之前哥白尼所要求的恒星周年视差终于被发现了，德国天文学家贝塞尔在1838年测出天鹅座61的周年视差是0.31弧秒。

天王星在18世纪末就被发现了，但它的运行与牛顿力学预计的轨道有误差。当然很少有科学家会认为这是因为牛顿力学本身不准确，而是更倾向于认为还有一颗行星在干扰它。1846年，法国天文学家勒维烈计算出了对天王星形成摄动的新行星的轨道，他找到柏林天文台的朋友帮忙验证，很快就在相应的天区发现了它，这就是海王星。英国的亚当斯更早进行了相似的演算，但他的观测请求被英国的天文台拒绝了。

我们知道早期的实验更多是演示性的，只是为已知的理论进行佐证，而不增加新的知识。到了19世纪，我们注意到实验与理论的关系更加紧密，在理论中预言的结果要求实验的验证，而在实验中发现的异常现象则要求理论解释，理论与实验互相激励的情况越来越多。