质能方程产生的历史背景及热力学展望

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       非理论科学的读者想知道一件事，也是理论科学家们对非专业听众演讲时总是会被问到得一个问题：它有什么用？一个科学的纯理论问题的研究成果会有什么实用意义？我们的健康，我们的用具，我们的安全会改善吗？会发明新的设备吗？我们的旅行会更快捷吗？会产生破坏性更大的武器吗？能移居火星吗？
      在这一点上理论科学家们最好还是坦诚相告，作为一个纯粹的不掺杂质的理论科学家，对这样的问题根本不感兴趣。激起大部分理论科学家的兴趣的，不是任何改善人类健康和设施的想法，而是发现新事物的纯粹乐趣和解决难题的挑战。理论科学家们在他们的工作被证明具有某种实用结果（至少这种结果是有助于和平的）时通常都会很高兴，不过在他们的工作生涯中很少会考虑这样的事情。
      下面是阿达马在《数学领域中的创造心理学》关于纯粹数学研究所说的话：
        对我们来说答案出现在问题之前……。实际应用不用找也会发现，可以说整个文明的进展都依赖这个原则……。实际的问题常常是依靠现存的理论解决的……。很少有重要的数学研究是进行由于看到一个给定的实际应用而进行的：它们是由一种愿望引发的，这种愿望是每一项科学工作的共同动因，即想知道和理解事物的愿望。
    哈代在他那奇特而短小的《辩白》的最后几页中，对于这一点的看法更为直率也更有个性。
       我从未做过任何“有用的”事情。我没有作出过什么发现，或者作出过有可能直接或间接地、不论好歹地对世上的设施产生最微小影响的发现……。以所有实用的标准来评价，我的数学生活的价值是零。
       科学探索面临的最大困难就是问题本身是否可解对人们信心的干扰。即便是那些在之前答案确定的课程考试中的优等生，在信心十足地挑战一个答案尚处于灯火阑珊处的问题的时候，结局仍然可能遭受令人沮丧的失败。当然我们不是宣扬科学上“我们无知，并且我们将继续无知”（法国哲学家杜布瓦-雷蒙语）这样一种不可知的悲观论调，相反，纵观科学取得的重大成就，我们“不应当相信今天以一种哲学的架势和高人一等的口气预言文化的衰落并且沾沾自喜于接受不可知论原则的那些人。对我们来说没有什么不可知，以我的看法，对于自然科学来说也没有什么不可知。抛弃这个愚蠢的不可知，让我们决心反其道而行之：我们必须知道，我们必将知道”（希尔伯特语）。
       为了避免在不明就里的人们看来，当事人信心十足最后却被证明对所挑战的问题所有付出心血的努力只是徒劳，是由于极端地狂妄和不自量力所招致了可耻的失败，以致于在最深的羞辱中崩溃的情况出现，我们最好在自然面前表现出最起码的敬畏之心。
       当今自然科学的神殿金碧辉煌，镶嵌在科学女皇皇冠上的质能方程这颗明珠则格外耀眼，引人注目。虽然只是狭义相对论的一个副产物，质能方程（E=mc^2）的名气何以能够超过狭义相对论,安然享有现代自然科学皇冠上的明珠的崇高地位？
       质能方程告诉我们，“质量就是能量，能量就是质量”（爱因斯坦语），质量和能量是同种物质的不同表现形式，是彼此不可分割的物质属性。质能方程证明了唯物辩证法中关于“没有脱离物质的运动，也没有脱离运动的物质”论断的真理性。
       大量实验事实对质能方程的证实，对于关注自然科学现状及未来走向的人们来说，对质能方程出现的必然性的探讨已经超过了从其他角度对其解读的意义。
       了解自然科学基本常识的读者都知道，动力学方程的时间反演性表明了时间旅行是可能的（斯蒂芬.霍金为了实现与梦露约会的梦想，甚至提出了时间旅行的三条路径—参见英国《每日邮报》2010年5月3日“STEPHEN HAWKING: How to build a time machine”报道），但是主张演化单向性的热力学第二定律无情地向这一美好的愿望泼了一瓢冷水：虽然热力学第二定律没有明确否定到达熵更大的未来世界的可能性，但要回到熵值比现在小的过去简直是痴心妄想。
       暂且不论时间旅行是否是可能的，当前自然科学动力学体系和热力学体系存在深刻的内在矛盾是任何一个科学爱好者不能忽视的客观事实。对于消除或缓解这一矛盾的任何努力都应当得到鼓励。相信就在不远的将来，科学界会对这一问题提出圆满的解决方案。
       作为一个基本的自然科学概念，热与化学的联系较它与物理学的联系更为亲密。通过对与化学有关课程的学习， 我们知道，所有自然科学遵循的基本规律同时也是支配化学反应的基本规律，例如质量守恒定律是物料质量传递的基础，能量守恒定律是化学反应能量传递的基础，动量守恒定律是体系动量（流量、流速等）传递的基础。由于热是化学反应释放的主要能量，理论化学是（尤其是物理化学）又是通过研究化学反应过程中的物理效应来研究化学反应。物理效应无外力、热、光、声、电、磁这六种效应（表面效应可归为力学效应）。在理论化学体系编排中，我们看到，研究化学反应热效应的部分占据绝对优势（化学热力学、统计热力学）。量子化学是量子力学与化学的交叉学科。在下面的讨论中我们将看到，即使是量子力学，热仍然对其施加不能忽视的影响。
       推究人们同热与化学反应打交道的历史，我们可以追溯到原始人食用熟食开始。食物从生到熟发生的是一个化学反应过程，原始人并没有化学反应的概念，他们观察表面现象得出火是食物从冷的生食变为热的熟食的原因。我们知道，闪电、陨石、干燥的天气和火山喷发等都是可以导致森林起火的因素，一旦森林发生火灾，火烤熟来不及逃生的动物，没有食物来源使得饥饿的原始人冒险食用他们从未食用过的被烤熟动物的肉，这一冒险意义重大，撇开烧烤食物相对于生食的口味鲜美和男人为了防止女人偷吃他的食物，而建立起一种比较稳定的合作配偶关系，出现了最初的婚姻形式，可以解释人类家庭的起源不说，人的智力水平和体能得到大幅度的提高启动了人类加速进化的进程。从现在的观点来看，闪电导致被电离的空气、高空坠落与大气高速摩擦的陨石、炎热干燥的天气或火山喷发的岩浆中包含着大量高速运动的粒子，具有极高的温度，当这极高的温度与森林中的可燃物和助燃物（总是氧气）三者结合起来的时候，将发生燃烧现象，燃烧是一种焓减少化学反应，燃烧伴随着火焰。火焰奔腾的景象以及巨大的破坏力让原始人感到恐惧。火焰对原始人来说是未知的事物、是不能控制的强大的自然力。人们对未知的、强大的现象的恐惧很容易上升为对其的膜拜。这不是讨论宗教的起源问题，而是人们对热的认识与此有关，很难说人们能够在未知而强力的火面前能保持长久的强势状态，哪怕这种强势只是心理上的本能暗示。这种对火是什么一时不能给出确定答案的疑问带给人们的不安全感，使人们对权威的看法产生依赖，这种依赖很容易上升为迷信，一旦上升为迷信教条，关于对火是什么这个问题本身的讨论将变得艰难。
       但源自于对不可控力的敬畏、膜拜和对权威观点的迷信中仍然隐含着追求，将未知的、不可控的火变为已知的、可以控制的力量或者使得现有对火的认识更加完善的追求。前面提到过，从未知到已知的探索过程是一个艰难的过程，人们需要面对种种不确定性对找到让人迷惑的问题的答案的信心的干扰。自然的奇妙之处在于她对人们的追求总有积极地回应。钻木、燧石取火的成功，使得人类第一次控制了自然力。能够控制火，则加强了人类控制其他自然力的信心。现代科学所取得的巨大成就，使得唯物主义大胆地提出世界可知的观点。也许在自然科学领域内哲学的观点会稍打折扣，让我们看看科学家怎么说，“科学研究基于同一法规，即一切事物的产生取决于自然规律。这也适用于人们的行动，然而必须承认，我们对这些规律的实际知识是不完整的，支离破碎的，实际上相信自然界包罗万象的基本规律的存在是一种信仰。当然，这种信仰至今大部分已被科学研究的成果所证实。”科学对世界是可以认识的论断可以大大减轻对未来不确定的疑虑，人们应当也已经有这样的信心：未知可知。
       在质能方程提出一百余年的今天，科学研究中不仔细区分能量与运动概念仍然显示出强大的定势。在质量和能量是物质两种不可分割的基本属性被确立为真理的今天，作为化工原理重要组成部分的三传（质量传递、热量传递、动量传递）中的质量传递、热量传递之所以还能保持相互独立的研究状态，究其根源，是参与化学反应的体系和粒子的运动速度远远小于光速。而从质能互变的观点来看，质量守恒定律、能量守恒定律是质能守恒在低速情况下的极限情况。玻尔的对应原理（“旧理论是新理论的一个特例或极限情况”）阐明了这种近似的合理性。
       但是，如果将来的科学技术使物体可以获得同光速比较的宏观速度，那时的化学家经常需要研究接近光速的体系中的化学反应，情况将会如何？对于在这种情况下化学反应的机理、催化剂与常规条件下的化学反应的区别有待未来的实验化学家研究，但有一点是可以肯定的，运用质量守恒定律和能量守恒定律所引起的误差将不再像通常情况下可以被忽略，质能方程将是分析化学反应最有效的工具。
       鉴于化学反应与热这种能量形式联系是如此之紧密，化学家对热概念的透彻理解应当是必备的素质之一。但翻阅任何一本化学教科书，我们却惊讶地发现，很少出现对热详细描述的情况。教材的著者往往要么先验地假设读者已经对热有基本的了解，要么就是流星般地划过一丝热的影子便迫不及待地开始了对热力学三大定律热情洋溢的叙述。当深入了解热力学以及自然科学史尤其是热力学史后，我们发现这实在是一个不该出现的疏忽。在对热的深入讨论过程中我们会发现，热远远不是我们想象的那样简单到不值一提。基于对热的详细论述极有可能使当前的化学热力学体系在保留原有内核的基础上焕然一新。
       在保留原有内核的基础上重新架构化学热力学体系这项工作不可能一蹙而就，需要许多人共同的努力。出于想要回报对大自然和人们努力成果的惊叹及这种惊叹带来的心灵震动，笔者觉得应当为热力学体系的完善奉献自己的微薄力量。如果能够对这项工作有丝毫助益，读者能够得到哪怕只有一个启发性的观点，笔者也将感到自己长时间的思考与努力并没有白费了。
       本文试图从热力学的角度探寻质能方程出现的时代必然性，为此文章将会首先介绍质能方程，紧接着探讨人们关于热本质的探索过程，尤其是文艺复兴以后直到19世纪50年代“结束”的关于热本质的争论。然后说明为什么质能方程的出现是为了适应热力学关于热概念需要进一步完善而出现的，最后通过本文所揭示的必然性，将提出一个关于热的综合假设，通过对基于这项假设的演绎，对热力学体系提供一些补充性的观点，并借此来窥测未来热力学的走向。
       诚然，限于作者的水平，文中的错误和疏漏在所难免。有见识的读者，即使最后发现笔者的观点经不起推敲，那么笔者努力做到行文所必要的知识让您艰苦的阅读过程不会一无所获。                                                                                
                                                    一                                           
    所谓时势造英雄，偶然蕴藏于必然之中。任何事物的出现都有其深刻的历史和现实根源。如果我们太过在意从博大精深的科学体系分娩出来的两个具体成果（比如原子弹、质能方程）之间的联系，却忽略了每一个具体成果同科学体系的更为密切的联系，那么我们将承担在学习或实践的过程中由于舍本逐末可能带来的一切风险。这些风险对于研究科学体系同具体成果之间的关系则是完全可以避免的。
    对于质能方程出现的历史背景，一条线索是质能方程是狭义相对论两条基本假设内涵的逻辑结果，狭义相对论产生的历史背景是19世纪末、20世纪初飘在物理学晴朗天空中的“紫外灾难”和迈克尔逊—莫雷实验这两朵乌云中的迈克尔逊—莫雷实验这朵乌云。迈克尔逊—莫雷实验否认了以太的存在，而以太的存在是经典力学绝对时空观的产物。爱因斯坦坚信，麦克斯韦－洛伦兹的电动力学方程是正确的。这个在运动物体参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典力学中速度相加原理相违背。于是他向经典时空观发起了勇猛地冲击。这次勇敢的行动成果斐然，狭义相对论被认为是人类探索自然过程中获得的宝贵财富。值得一提的是，狭义相对论自诞生以来，人们对它的责难从来就没有停止。我们记得，1921年爱因斯坦走上诺贝尔物理学奖领奖台的理由不是他发表了相对论，而是阐明了光电效应规律。但是，人们却很少对质能方程提出质疑，大量实验事实已经证明质能方程的正确性。（参见美国物理学家组织网2008年11月25日的报道）。我们也知道，最初由狭义相对论体系导出的质能方程同样可以通过经典力学的方法推导出来。这说明狭义相对论不是质能方程出现的必要条件。
    “质能方程的出现是狭义相对论内涵的逻辑结果，狭义相对论最初是为了修补牛顿经典力学大厦的裂缝，所以质能方程是针对经典力学需要完善的背景下产生的。” 在严谨性要求不高的场合这样说明质能方程出现的必然性是可以被接受的。
    关于质能方程出现的另一条迷惑性极大的线索是，质能方程是为了适应原子弹的制造需要理论指导而出现的。现在的人们也会自然地认为，原子弹是在质能方程的指导下才制造出来的。事实果真如此吗？让我们浏览一下真实的历史。
    在标志狭义相对论出现的《论动体的电动力学》一文发表(1905年)之前6年，居里夫妇在实验室里发现了铀、钋具有放射性，并在沥青锅里提取了10克纯镭。质能方程的发表时爱因斯坦并没有将其与正走在实验科学道路上的原子能研究联系起来。
    1938年底，德国柏林的哈恩与斯塔斯曼用中子束轰击铀，使铀第一次发生人工核裂变，铀元素裂变成了一些碱土元素。就在此时，爱因斯坦还在美国给5000年后的子孙写信，对人工核裂变的事实一无所知。
    1939年初，费米、约里奥.居里、与西拉德分别独立地研究了这种核裂变反应，并发现铀核裂变时又会放出大量新的中子，从而想到了用这种新中子又去轰击其它还未反应的铀核，使之产生链式反应。差不多同时，迈特内与其外甥弗里许研究了哈恩实验的结果，得出核裂变会释放巨大能量的推论。
    如果质能方程没有被发现，此时得出核裂变反应能够释放巨大的能量的结论并不存在实践上的障碍。有无质能方程在原子弹的研究上的区别仅在于原子弹释放的巨大能量能不能精确地衡量。事实上，只要观察实验现象得出核裂变能够产生巨大的能量，接下来原子弹的诞生就是顺理成章的事了，与质能方程存不存在没有必然的联系。
    关于质能方程和原子弹的关系，爱因斯坦自己的看法也许更为可信：
　　“我不认为我自己是释放原子能之父。在这方面，我所起的作用是非常间接的。事实上，我未曾预见到原子能会在我活着的时候就得到释放。我只相信这在理论上是可能的。由于偶然发现了链式反应，它才成为实际，而这发现不是我所能预料到的。它是哈恩在柏林发现的，起初他自己还错误地解释了他的发现。提出正确解释的是丽赛.迈特内，她从德国逃了出来，把这消息告诉了尼耳斯.玻尔(当时正在美国访问)”
    1955年3月19日爱因斯坦给朋友冯.劳厄的信上说：“关于原子弹和罗斯福，我所做的仅仅是：鉴于希特勒可能首先拥有原子弹的危险，我签署了一封由西拉德起草给总统的信”。
    由此可见，对于世人对质能方程同原子弹言过其实的赞美，爱因斯坦体现了作为一个伟大科学家应有的素养，他委婉地撇清附加在质能方程和原子弹之间的不实关系。从表面上看，这一行为削弱了质能方程乃至理论研究的意义，而且不能不引起是人们对质能方程出现的这样一种印象，即：质能方程其实对科学的意义并没有它所显示的那样引人注目，吸引人的是它突兀、类似于平地一声雷的出现方式，而不是它的内容，如果不是可以为核子武器的制造提供理论指导，那么它的存在与不存在并没有太大的区别。
    当然，原子弹能够为质能方程提供证据，质能方程能够精确计算原子弹释放的能量，表明了理论与实践之间存在相互解释、相互补充的关系。科学史上这种理论与实践、不同学科独立发展最后发现彼此能够互相解释、互相补充的巧合并不罕见。这也是科学研究的魅力所在。
    爱因斯坦的伟大之处在于，他清楚地知道真实的科学会使后来的研究者避免许多不必要的干扰。同时对把质能方程从一定程度上可以说是人们凭借主观观点和原子弹的制造勉强联系起来的这样一种趋势的委婉否定，可能暗示质能方程存在更为深刻的真实。
    回顾20世纪初质能方程堂而皇之跨入科学殿堂大门的时刻，显然它的出现是为了说明“一枚仅重数吨的原子弹为什么具有能够将一座人口上百万的城市瞬间夷为平地的强大能量”这样的说法连爱因斯坦本人都感到牵强。质能方程诞生于1905年，而第一颗原子弹在1946年才爆炸，1905年之前除了居里夫妇在实验室里发现了某些重核原子的放射性外，人们的脑海中根本就没有原子弹的概念，更不谈制造原子弹而需要一个指导理论。后来的事实也充分说明，质能方程对于原子弹的制造并不是必不可少的，没有质能方程原子弹同样可以造出来。原子弹释放能量的多少需要理论工具不构成质能方程出现的必然理由。退一步说，即使质能方程是原子弹最终制造出来的必要条件，即没有质能方程发现在前，就不可能有原子弹制造在后，这仍然与质能方程出现的背景也没有太大关系。由此可以看出，质能方程的出现应当包含着更为深刻的科学史背景。
    如果我们想要理清自然科学未来的发展脉络，那么，对存在另外一条线索来解释质能方程的必然出现的可能性、将隐藏在质能方程背后的真实揭露出来的任何探求都不是没有价值的。自然科学中，将物质和能量这两个基本的概念通过质能方程这样简洁精巧的形式联系起来的具体例子并不多见。想要满足自己对神奇大自然的好奇心的人们不能不对质能方程格外重视。通过下文的叙述，读者可以看到，质能方程所蕴涵的科学价值远远比我们第一眼所看到的要大得多。
    让我们先把质能方程撇在一边，首先回顾一下自然科学中另一个基本概念“热”的历史。
                                                         二
    当原始人发现火带给他们的好处可以完全抵消一开始带给他们的恐惧甚至还超出许多的时候，原始人就与火亲近了起来。但闪电不是每天都有，也不是每次闪电都能引发森林大火；火山也不是每天喷发，火山喷发还能瞬间让靠近它的生物变成岩浆。自然界火来源的不稳定和取火冒的巨大风险让原始人苦恼不堪，于是他们试图寻找一种能够稳定、安全地得到火的方法。所幸的是，自然界没有让人们的努力白费，人们终于找到自己得到火的方法——钻木、燧石取火。火是人类第一个也是最重要的一个可以控制的自然力。自从使用火后，人类的进化历程大大地加速了。
    当人们的智力水平终于进化到可以直接向大自然提出问题的时候，当人们也不用再为食物的来源烦恼的时候。他们便开始思考，世界的本原是什么？东方的中国人回答，是金木水火土五行。古希腊人则回答是水（泰勒斯）、是水和火（阿那克西曼德）、是中央火（毕达哥拉斯学派）、是永恒的活火（赫拉克利特）、是土和水（色诺芬尼）、是“一”（巴门尼德）、是原子与虚空（留基伯、德谟克利特）、是造物主为这个世界编好的“程序”（柏拉图，柏拉图的另一个值得一提的观点是，火是一种运动的表现形式）、是土、水、气、火（亚里士多德）、是有重量的原子的运动（伊壁鸠鲁）、是可以使一切东西变得很热，甚至燃烧起来的运动（卢克莱修）。
    起初人们倾向于将看上去纯净、强力的火视为世界的物质本原之一。燃烧放出的热量不是那样集中、大量导致了古典热学的研究没有将火和热明确地区分开来，按照古典热学的逻辑，热是一种“隐火”。而火焰奔腾的景象让后来的研究者将其同运动联系起来是一件十分自然的事情。循着这样的线索来理解，“热是一种运动”观点的提出不是偶然的。
    那些认识到火与热有联系的人们，从热源与他们身体之间的温度差异（温度被忽略也是古典热力学研究的一个特点）得到的感觉，认为热是一种物质，甚至由于热的不可见、不可摸，他们直接将热归为了世界的本原神秘主义逻辑。
    由于科学技术水平的限制，当时的学者对世界本原的认识只能是无法通过实验证实的理论假设。当对这种最终沦为与现实无关的从概念到概念的争论感到厌倦的时候，人们的目光被以雄辩著称的苏格拉底发起的伦理哲学的讨论吸引过去了。这目光一转就是1000多年，直到文艺复兴，哥白尼的日心说挑战了人们关于自然的教条以后，人们才重新关注自然科学的进展。
    下面我们将看到，前人对自然界最初的感性认识对后来者的科学研究的影响是深远的。在热力学研究领域内这种影响尤其突出。
    前面已经提到，火是人类控制的第一种自然力。火是燃烧的现象，而燃烧属于一类化学反应。火是什么？化学反应是什么？这是化学发生从炼金术、炼丹术到科学的质变所首先需要回答的两个问题。早期的化学家认为，火是由大量被称为燃素的微粒的集合，燃素无处不在，包含于万物之中，它的质量不为零（正的或负的），燃烧过程是燃素的转移过程。化学反应能够发生的原因是燃素从一种物质转移到了另一种物质中。虽说燃素说最终为质量守恒定律所推翻，但它统一了当时化学家的思想，将化学从炼金术、炼丹术的泥淖里解救出来。化学真正成为一门科学，燃素说功不可没。
    1777年化学领域发现了质量守恒定律而为火的燃素说举行的葬礼似乎并未对热本质的争论产生影响，为推翻燃素说作出关键贡献的拉瓦锡，在1789年将热素作为一种元素列入他制定的元素周期表中，说明除了用显微镜这当时最先进的仪器观察火花的胡克把热与火混为一谈外，物理学家对热与化学家对火的研究是相互独立的。
     但我们发现科学家研究热与火时表面上的独立并没有掩盖两者研究思路的惊人一致。
     对比燃素说，除了对燃素或热质是否具有重量的问题存在分歧外，热质说就是燃素说的翻版。
     热质说认为，热就是一种没有重量，不可称量，不生不变，存在于一切物体之中的可以自由流动的特殊物质，物体的冷热是由热质的多少决定的。
    许多重要的热力学过程都是在热质说的基础上提出来的，比如在热质观念的指导下，布莱克提出了比热和潜热，从而形成了量热学的理论与方法；瓦特改进了蒸汽机，促进了社会生产力的高度发展；傅立叶在热质的基础上建立了热传导理论；卡诺依据热质传递的理论发现了卡诺循环；热学中的热量、 热容量、热量单位卡等，都源自热质说。
    后来，人们正确地认识到，“热质说将和燃素说被葬在同一个坟墓中”（伦福德），这一说法本身同时也说明了热与火概念的混淆极大地干扰了人们对于热本质的探索。
    热与火界限轮廓的清晰勾勒，归功于化学家研究化学反应时对火的讨论、物理学家研究热机的效率时对热的研究。根据现代自然科学的观点，火的产生需要三个条件：可燃物、温度达到燃点、助燃物，温度是衡量物体冷热程度的物理量。我们感受的不是热源本身，而是我们的接受温度效应的器官与热源温度的差异。如果我们的身体接受温度的器官与热源的温度一样，那么我们就不会再说某物冷、某物热了，这其实是热力学第零定律的内容。而了解热力学第一定律的人都知道，热是一个过程量，温度是一个状态量。将状态量与过程量混为一谈是不明智的，但这却是当时科学界的真实情况。如果温度高表示物体热（或许用烫更合适）这个说法可以被接受的话，那么撇去产生火的可燃物和助燃物这两个条件之后，可以将热认为是“隐火”。当然这里的“热”应当按照18世纪自然科学逻辑来理解，现在应该把这句话改为：温度是“隐火”。热是过程量，火是在一定条件下才会出现的现象，温度是描述体系的状态量。对热学研究史上三个最纠缠不清的概念热、火、温度之间有这样感性的认识是必要的，它有助于理解人们对热的认识过程。
                                                       三 
    虽然温度概念出现得较晚，但人们很早就寻找可以指示物体“热”的方法。
    经验性的光学高温测温术早在温度计出现之前，中国古代人们在烧制陶器和冶炼金属的过程中，就已逐渐学会了以观察“火候”来定性地判断温度的高低。在实践中，火候在相当程度上可以起到温度计的作用。这种根据火焰的颜色来判断炉内冶炼温度的方法，实际上是利用了受热挥发出来的各种物质原子的发射光谱以及辐射能谱的强度分布特性来确定温度高低，它不再是单纯凭感觉判明温度高低，克服了判定温度中的主观性和不定性。
     在中国古代还有一种利用某些标准的恒定温度，如冰和人的体温，来确定温度高低的办法。如利用瓶中盛水视其结冰多少，来判断寒冷时的温度．用观察瓶中冰的熔解和水的凝固程度来判明气温的下降或上升的趋势．还有人用人的体温作为标准的测温方法。这些都是简单的测温装置和测温方法．
    1593年，伽利略发明了第一支温度计。为人们达到精确衡量“热”的目的开辟了道路。焦耳于1840年至1850年进行的热功当量实验为热力学第一定律的科学表述奠定了基础。
    人们认识到温度与热的不同之处在于温度是表征体系状态的物理量。热则是能量转化的载体，是一个与热力学过程有关的量。
    近代以来的科学最重大的进步之一是能量概念的提出。“能量”这个概念是托马斯.杨在1801年总结当时众多科学家的研究成果提出来的。按照现代物理学的观点，能量是表征物体运动能力大小的物理量。能量包括机械能（动能、势能）、内能（物体或若干物体构成的系统内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量总和。）、电能（表示电流做多少功的物理量，本质是电子运动的动能）、磁能（贮存在磁场中的能量）、化学能（化学键贮存的能量，能够在化学反应中释放出来的能量，本质上是静电能）。我们谈到某种具体的能量，就必然要谈论物体（或物系）的具体运动状态。我们在讨论能量的时候，总是离不开物体（物质）和运动。有没有脱离物质的运动或有没有脱离运动的物质？唯物辩证法对这个问题提出了很好的回答：不存在脱离运动的物质，也不存在脱离物质的运动。但是牛顿对运动规律（牛顿三定律、万有引力定律等）的深刻阐述引起的巨大成就，勾起了当时的人们对运动这一概念格外癖好。何况当时唯物辩证法尚在建立的过程中。设想脱离物质的运动并不存在理论和实践上的障碍，比如培根就认为热是一种在微粒之上的运动。如果物体在运动过程中质量不发生变化，那么这时候物质的能量就仅仅和运动有关了，这样在研究中涉及运动时，人们可以将“能量”和“运动”互换。翻阅科学史书籍我们发现，质能方程提出以前的物理学、化学的研究就是这么做的，化学甚至专门提出了一条质量守恒定律来强制规定“能量”和“运动”之间的等价性。
    可见，能量是伴随着物质的运动而产生的。或者说，按照20世纪自然科学大变革之前的观点，能量衡量了运动能力的大小。这样能量与运动就不可分割了。如果人们从火或热的行为中嗅到了一点能量的味道，那么，火或热的定义最终成为是运动的俘虏就不足为奇了。
    物质是能量的载体，运动是能量的形式。既然不存在脱离物质的运动，那么当然也就不存在脱离物质的能量。这个观点如果发表在电磁波被证实存在之后、得到质能方程、德布罗意波之前必定会被视为异端邪说。因为电磁波没有动质量。幸而质能方程告诉我们以光速运动的比如光子，不是不具有质量，而是不具有动质量，它仍然具有静质量，只不过由于运动，质量被完全转化为能量了。静质量的数值可以通过质能方程精确地计算出来。
    但在人们讨论能量和运动的过程中，似乎物质的质量不变这个假设是先验的、天然的。这可能受到道尔顿的原子论的影响，原子论的出现同样受到了前人思想的指点，前文曾提到，早在古希腊时期的留基伯和他的学生德谟克利特就表明了原子论的观点。道尔顿的原子论认为：（1）化学元素由不可分的微粒—原子构成，它在一切化学变化中是不可再分的最小单位。（2）同种元素的原子性质和质量都相同，不同元素原子的性质和质量各不相同，原子质量是元素的基本特征之一。（3）不同元素化合时，原子以简单整数比结合。推导并用实验证明倍比定律。如果一种元素的质量固定时，那么另一元素在各种化合物中的质量一定成简单整数比。我们将原子论同质量守恒定律结合起来看，物质的物理过程或化学过程中质量保持不变，似乎是顺理成章的事情。
    明白质量属性和运动属性是热的两个不可分割的方面，会使对热的发展历史的理解变得相对容易。
                                                          四
    由于物质质量不随过程发生变化这个先验的假设在当时的人们的脑中是如此根深蒂固，导致人们在思考某些现象时直接忽视物质直奔运动而去。在下面的讨论中，我们将看到，即使是一些最著名的科学家也没能幸免。下面是20世纪之前的认为热是一种脱离物质的运动的科学家的观点：
    培根从摩擦生热等现象中得出，热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动。
    热这种“运动”在较小粒子之上。如果这个观点是正确的，那么我们可以得到一个结论，没有较小粒子，热这种运动仍然存在。即：脱离物质的运动是存在的。
    受培根的影响，波意耳指出热是物体各部分发生强烈而杂乱的运动、笛卡儿把热看作是物体粒子的一旋转运动、胡克用显微镜观察了火花，认为热并不是什么其他的东西，而是物体各个部位的非常活跃和极其猛烈的运动、牛顿也认为热不是一种物质而是组成物体的微粒的机械运动、18世纪时，罗蒙诺索夫根据摩擦敲击能生热，物体受热熔化以及动植物的发芽腐烂过程都因受热而加快、受冷而减缓的现象得出结论，认为热的充分根源在于运动，由于没有物质就不可能发生运动，所以热的充分根源在于某种物质的运动。   
    但1798年，一位在慕尼黑的兵工厂负责造大炮叫伦福德的科学家，发现了一个奇怪的现象，用钻头钻炮筒时，炮筒的温度会升得很高。这本来不过是升级版的摩擦生热现象，区别仅在于原始人是用消耗体力让木头和木头摩擦生热，造大炮是用机器提供的能量让金属和金属摩擦。道听途说和亲身经历毕竟不同，伦福德随后做的用马拉钻头而不用火就把水烧开的实验引起了轰动。这个实验所暗示的让热质说难堪，因为热质说本来就无法对解释摩擦生热现象提供令人信服的解释，当有人提出这个关键的问题时，热质说就用潜热来搪塞。当伦福德发现利用热质说无法解释短时间内如此大量的热从何而来时，他想到了燃素说的悲惨结局。于是他果断抛弃热质说，“在推敲这个问题（热是什么—注）时，我们一定不能忘记考虑那个最显著的情况，就是在这些实验中，由摩擦所产生的热的来源似乎是无穷无尽的”“任何与外界隔绝的一个物体或一系列物体，所能无限连续供给的任何东西决不可能是具体的物质；除了只能把它认为是‘运动’以外，我似乎很难构成把它看作为其他东西的任何明确的观念”．就这样建立在一个轰动的实验、包含有“似乎”字眼的推论，伦福德启动了宣判热质说的死刑的关键程序。
    如果这个实验及推论还不足以使热质说引颈就戮的话，那么紧接着21岁戴维的判决实验则将热质说强行拉上了断头台。他在真空装置中使两块冰相互摩擦，并使周围的温度比冰还低。实验发现，冰块摩擦后就逐渐融化了。戴维分析指出，使冰块融化的热不可能从周围的空气中来，因为周围空气的温度比冰还低；这热也不可能来自潜热，因为冰融化时是吸收潜热、而不是放出潜热．由此戴维得出了同伦福德相同的结论：热质是不存在的，热现象的直接原因是运动。
    伦福德和戴维的实验为热动说的胜利铺平了道路。
    19世纪50年代，随着能量守恒定律的确立，关于热本质的以“热动说”的胜利而暂时告一段落。当自然科学的其他分支被相对论和量子力学卷起的大潮冲击得心不在焉的时候，热力学能够保持其心如止水的平静状态是值得研究者加以注意的，它仍然按部就班地继续着自己的发展进程。但它的平静发展却将自然科学其他分支撩拨的心潮澎湃。焦耳热功当量的测定为能量守恒定律的最终确立扫清了障碍，玻尔兹曼的统计理论是量子论的炮膛装上的打响近代自然科学革命的第一发炮弹。这是导致其他分支发生跨越式发展显明的例子。然而热力学并没有显示受到其他分支飞速发展反作用而有什么跃进发展的迹象，气体动理论（“温度与组成物体粒子的平均动能成正比。”是该理论最著名的结果之一）、吉布斯的系综理论、波尔兹曼、吉布斯、丁铎尔等研究的涨落理论和布朗运动等理论的建立我们得不出其他分支保持原状，这些理论不会在热动说的指导下自然出现的理由。而这与事物普遍联系的原理是不符合的。出现这一状况的原因要么是热动说内在禀性决定了它只能扮演为其他分支中动力学部分发展提供单向启发性观点，要么就是热力学与最新科学成果的结合点尚未找到。
    这里简要介绍一下热动说为量子论的提出作出了关键贡献的过程。我们知道，量子力学是为了回答黑体辐射的“紫外灾难”而发展起来的，量子力学的核心和基础是能量量子化和物质波。当时描述黑体辐射单色辐出度的瑞利—金斯公式在长波范围与实验数据符合得很好，但在短波（紫外）范围出现了可怕的偏差，瑞利-金斯公式预言的单色辐出度趋向于与实验数据趋势完全相反的无穷大，这便是“紫外灾难”的由来。普朗克为了解决这一矛盾，提出了能量量子化的观点，并结合玻尔兹曼统计理论给出了与实验数据符合的相当好的公式。由此，经典力学对能量这个基本概念的理解受到了挑战。量子论也在经典力学的惊谔中蓬勃发展，这一势头直到今天都没有显示出衰减的迹象。
    热动说认为热是分子的大量无规则运动，必然决定了统计热力学最终讨论的问题将会归结为对大量的运动属性的讨论。如果化学统计力学对化学真的有什么重要意义的话，那么除了它对物质结构的讨论，可以加深化学家对“结构决定性质”这一规律的理解，对涉及物质变化的化学反应不可能有突破性的理解。事实的确如此，我们看到统计力学的定位是“研究大量粒子宏观运动规律的科学”对粒子运动不同速率的讨论，阐明了热与温度的区别。
                                                     五
    综观热本质的探索过程，热与火，古希腊人关于火是一种物质还是一种运动的思考，直接导致了科学界关于热的本质旷日持久的的艰难探索。探索过程中关于热本质的争论，这场争论的影响一直延续到今天，甚至还可能成为另一次类似于20世纪初的自然科学的大变革的导火索。
    我们知道，燃烧是一种焓减小的化学反应，减小的焓表现为光的能量形式就是火，表现为热的能量形式就是相对于周围环境的高温。火与热概念的混淆是导致热质说的原因之一，没有明确指出热与温度之间的区别，是导致了热动说的原因之一。
    从另一个角度来看。根据没有脱离物质的运动，也没有脱离运动的物质，那么热必定具有物质的属性；根据热是一种由于热源之间存在温度差而传递的能量，热是一种能量；根据质能方程，质量与能量不可分割；综合以上推理，我们从热动说、物质与运动不可分割、质能方程得出热不仅具有运动的属性，还具有质量的属性。
    孤立研究热的质量属性，或者认为质量属性是热的主要方面，运动属性是热的次要方面，结局必然导致热质说；孤立研究热的运动属性，或者认为运动属性是热的主要方面，质量属性是热的次要方面，结局必然导致热动说。
    质能方程告诉我们，质量和能量为物质不可分割的基本属性。唯物辩证法也告诉我们没有脱离物质的运动，也没有脱离运动的物质。哲学和自然科学对同一问题的不同表述并没有掩盖它们内在的等价性。
    当我们仔细探究运动与能量这两个概念之间的区别以后，我们发现能量与运动属于不同层次的概念。如果把运动视为基本概念的话，那么，能量则是运动的上层属性，换言之，能量是基本属性物质和运动的复合概念。认为过程中所研究的物体质量不发生变化的结果造成了热动说关于热的讨论中强行割裂了热与质量的联系。
    这时候有人会问，既然热具有物质性，为什么从来都没有人称出热的质量？我们指出：一、热核武器威力的理论计算，包含对热的质量的计算，只不过计算的是由于核裂变或核聚变中质量亏损所转化的能量。二、我们不能笼统地谈热的质量，因为质量和运动是热的两个不同的也是不可分割的属性，正如光的波动性和粒子性是不可分割的属性一样。当我们谈论热的质量属性的时候，谈的是热的静质量，当我们谈论热的运动属性的时候，谈的是热的能量。能量和静质量可以通过质能方程精确计算出来。
    基于热质说取得的成就和基于热动说取得的成就，两者并非完全独立，它们可以通过质能方程联系起来。建立这种联系应当是热力学未来发展的趋势之一。
    或言之，质能方程是在热质说和热动说需要统一的背景下产生的。