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J.R.迈尔 Julius Robert Mayer (1814~1878)

  德国物理学家,能量守恒定律的发现者之一,热力学与生物物理学的先驱。1814年11月25日生于符腾堡(今巴登-符腾堡)的海尔布隆,他的父亲是个药店主。1832年进蒂宾根大学医学系。1837年因参加一个秘密的学生团体而被停学一年,致使神经受到刺激。第二年复学后获得医学博士学位。

  1840年2月到1841年2月,迈尔作为船医远航到东印度,发现在热带地区海员的静脉血液比在欧洲时要更红一些。根据A.L.拉瓦锡的燃烧理论,迈尔认为,在热带人的机体只需要吸收较少的热,从而机体中食物氧化过程减弱,静脉血液中留下了较多的氧,因此颜色较红。这使他联想到食物中化学能与热能的等效性。他听到海员们说海水在暴风雨时比较热,由此又联想到热与机械运动的等效性。

  1841年,迈尔回到海尔布隆,利用做医生的余暇研究自然力(即能量)的守恒与转化问题,写了《论热的量和质的测定》一篇论文,于这年6月16日寄给由J.C.波根多夫主编的《物理学与化学杂志》。论文中迈尔根据G.W.F.von莱布尼兹“因等于果”的命题,认为力(即能)是自然界运动变化的原因,而因等于果,自然力在量上是不灭的,只是质发生变化。论文的思辨性较强,但用质量与速度的积来表示运动力(即动能),缺乏严密的科学论证。所以这家杂志拒绝发表,也未退稿(此稿36年后J.K.F.策尔纳才从编辑部取出发表)。

  迈尔很快发现这篇论文的缺陷,决心进一步学习物理学和数学,在此基础上,于1842年写出《论无机界的力》一文,在J.von李比希主编的《化学与药学杂志》上发表了。在这篇论文中,他仍然运用因等于果的命题,论证一切自然力(即能量)是不灭的。他还论证了落体力(即势能)可以转化为运动(即动能),并开始用质量速度的二次方的积来表示运动。他认为“有不能变为无”,运动一消失就转化为热,而蒸汽机则把热转化为运动。他利用热与气体的体积的关系,以及空气的定压比热容和定容比热容的比(сp∶сv)为1.421,推算出1g水从0°C到1°C时吸收的热量等于相同质量的水下降365m所做的功,即1cal=365gf•m,但文中没有阐明推导过程。因此迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。但这篇文章当时未引起注意,以后J.P.焦耳、L.A.科耳丁、H.von亥姆霍兹等人又独立地作出了各自的发现。

  1845年,迈尔在海尔布隆自费出版了《论有机体的运动以及它们与新陈代谢的关系──一篇有关自然科学的论文》。在这篇论文中,他仍从因等于果、无不生有、有不变无的论点出发,论述了能量守恒;并利用空气的定压比热容和定容比热容具体地推算出1 сal热相当于367gf•m 的功(此数近似地正确)。文中还把物理能的形式分为5种:①重力势能(落体力),②动能(简单运动与振动),③热,④磁、电(电流),⑤化学能(某些物质的化合、分解);并列举了这些能量相互转化的25种方式。文中还指出太阳能是地球上取之不竭的物理能的来源。植物吸收了太阳能,把它转化为化学能。动物摄取了植物,通过氧化,把化学能转化为热与机械能。肌肉只是转化能量的工具,它本身在运动中并没有消耗。对于当时流行的并为李比希所赞同的“生活力论”,他在论文中提出反对的见解,认为生物除了吸收物质与能量之外,不需要什么“生活力”。因此,迈尔也是第一个把能量转化概念应用于生物学现象的人,是生物物理学的先驱。他还分析了肌肉的活动,认为运动神经犹如轮船中的舵手,起着控制的作用;新陈代谢提供了能量,犹如轮船中煤的燃烧。这接近于把控制论思想引进生物学的研究。可惜这篇论文在当时科学界又未得到重视。

  迈尔一生的遭遇很不幸,他的 3个孩子在1846年和1848年相继夭亡。他的科学成就长期得不到社会的承认,至受到攻击。这些挫折使他在1850年 5月的一个夜晚跳楼自杀,幸未致死,但患了精神错乱症,长期在格平根的精神病院中疗养,与世隔绝;以致李比希在1858年的一次演讲中宣称迈尔已经因病早亡。波根多夫的《手册》也正式记载迈尔的“去世”,而以后的更正却不为人们所注意。

  七八年之后,迈尔逐渐恢复了健康。他的科学成就逐渐为社会所承认。1858年瑞士巴塞尔自然科学院接受他为荣誉院士。他在1860年左右开始出席科学会议。由于英国物理学家J.廷德耳的力争,迈尔的科学成就在英国也得到了承认。1871年,他晚于焦耳一年获得了英国皇家学会的科普利奖章。以后他还获得蒂宾根大学的荣誉哲学博士,巴伐利亚和意大利都灵科学院院士的称号。1878年3月20日因右臂结核感染在海尔布隆逝世。

  参考书目

  R.B.Lindsay, Men of Physics, Julius Robert Mayer──Prophet of Energy, Pergamen, Oxford,1973.

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