二、物理学的诞生与发展
亚历山大科学院
公元前300—前200年，古希腊经历了短暂的科学繁荣。当时在埃及这片土地上出现了一个以希腊人为统治民族，埃及人为被统治民族的托勒密王国。这个王国最初的几任国王对科学很有兴趣，他们设立了人类历史上第一个科研机构——亚历山大科学院。这个科学院有动物园、植物园、开会用的厅堂，以及一个藏书50多万卷的图书馆。国王还设立了科研基金，用以资助科学研究。
欧几里得在那里把古埃及和古巴比伦积累的数学知识，总结成欧几里得几何，并沿用至今。这一几何创立的意义，远远超出了数学领域，它对人类整个的思想和文明发展都产生了重大影响。
他的学生的学生阿基米德，则把数学进一步发展，使算术和代数从几何中分离出来，成为独立的数学分支。
特别值得强调的是，阿基米德对物理学做出了重大贡献。他提出了阿基米德原理（关于浮力的理论）和杠杆原理，还提出了重心的概念。他曾骄傲地说：“给我一个支点，我可以撬动地球。”这两个定律是人类历史上首次出现的成熟的物理定律。
物理学的开端——伽利略
然而，物理学的真正建立则要等到1800多年后的伽利略时代。那时的欧洲正处在对人类历史影响深远的文艺复兴时期。在著名的艺术家米开朗琪罗去世的1564年，诞生了文学家莎士比亚和物理学家伽利略。
伽利略强调实验，强调测量。他使物理学成为一门实验的科学、测量的科学。近代著名的数学家、哲学家，同时精通物理学的庞加莱（又译为彭加勒）指出：“凡是不能测量的东西都不能进入自然科学。”而强调实验，并把测量引入物理学（从而引入自然科学）的人正是伽利略。所以我们说，是伽利略首先使物理学成为一门成熟的自然科学。物理学为自然科学其他分支的建立树立了样板、打下了基础。
伽利略对物理学的贡献很多，我们在这里只介绍一下他对惯性定律（牛顿第一运动定律）、相对性原理和自由落体定律的贡献。这三条定律在古典物理学和现代的相对论中都非常重要。
最早正确叙述惯性定律的人是公元前400年左右古希腊的哲学家德谟克利特。他是原子论的提出者之一，他认为原子是构成物质的最小微粒。他曾论述：“虚空中运动的原子，由于没有阻力，将一直等速运动下去。”这正是惯性定律所表达的意思。
然而这一论述被比他稍晚的哲学家亚里士多德搞乱了。亚里士多德强调观察，比起他的老师柏拉图来，我们应该认为这是一个巨大的进步。然而他有时观察得不够仔细，也会导致一些错误。例如，他发现运动的物体如果不被推动，就会慢慢停下来。他没有进一步认识到摩擦力的存在，而是简单地得出了一个错误的结论：力是维持物体运动的原因。这就是说，必须不断地用力推动，物体才会保持运动状态。于是他否定了德谟克利特关于惯性运动的正确思想。由于亚里士多德的崇高威望，他的这一错误结论一直沿用到伽利略时代。
伽利略用斜面实验重新肯定了惯性定律。他配置了如图1-3所示的斜面装置。该装置板面非常光滑，摩擦力小到基本可以忽略。他让一个小球从左边斜面滚下，平滚一段后，再滚上右边的斜面。伽利略发现小球在右边斜面爬升的高度，与它从左边斜面下滚时的初始高度相同。如果把右边斜面再放倒一些，小球仍会爬升到原来下滚时的初始高度，但从水平距离来看，小球滚得更远了。伽利略总结道，如果右边斜面越来越放平，小球依然会爬升到初始下滚时的高度，但水平运动的距离和时间都会越来越长。他发挥思想实验的威力，认为如果把右边斜面彻底放平，小球就会沿着放平的面，永远匀速地滚动下去。他认为小球从左边斜面做加速运动滚下，是受到重力作用的结果；沿右边斜面减速爬升，也是受到重力作用（这时重力起阻碍作用）的结果。在水平面上滚动时，小球速度保持恒定不变，因为这时小球所受的重力与水平板面对它的向上弹力平衡，对小球的水平运动不起作用，小球的水平滚动相当于没有受到力的作用。于是，他总结出了惯性定律：不受外力作用的物体将保持做惯性运动的状态不变。
图1-3 伽利略阐明惯性定律的斜面实验
什么是惯性运动的状态呢，伽利略认为静止或匀速直线运动的状态都是惯性运动状态。不过，伽利略当时犯了一个错误，他认为匀速圆周运动也是惯性运动。这可能是他受到行星绕日运动的启发而得出的一个错误结论。伽利略相信哥白尼的日心说，认为所有的行星都在不停地围绕太阳做匀速圆周运动，而行星绕日的运动又似乎没有受到什么外力的推动。关于这个问题，我们将在后面介绍爱因斯坦的广义相对论时进一步讨论。
关于运动的相对性，自古以来人们就从日常生活中有不少体会，而且不断有人进行一些总结。
例如，我国宋代的文人陈与义就在一首诗中阐述过他对运动相对性的体会：
飞花两岸照船红，百里榆堤半日风。
卧看满天云不动，不知云与我俱东。
陈与义生于北宋，死于南宋。曾先后做过礼部侍郎和参知政事。他生活在剧烈动荡的年代，写过不少好诗。
在他之前很久，在汉朝的《尚书纬·考灵曜》中就有如下对运动相对性的论述：“地不止而人不知，譬如人在大舟中，闭牖而坐，舟行不觉也。”
不过，真正对相对性原理做出正确的科学论述的是伽利略。他在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于两门新科学的谈话及数学证明》（1638年，中译本名为《关于两门新科学的对话》）中详细论述了他的“相对性原理”的思想和内容。不过，他当时叙述的相对性原理还主要限于物理学中的力学规律，用现在的语言表述出来就是：力学规律在所有惯性系中都是相同的，或者说不能用任何力学实验来区分惯性系之间的相对运动速度，当然也不能用任何力学实验确认一个惯性系是在运动，还是处在静止状态。所以，伽利略相对性原理又称为力学相对性原理。
有一个众人皆知的故事：伽利略在比萨斜塔上做过自由落体实验。他手持两个重量不同的小球，在比萨斜塔上两手同时松开，结果两个球同时落地，于是他得出结论：自由落体的加速度与它们的重量无关（这一结论也称为自由落体定律）。比萨那个地区地质结构有点问题，那里的塔多少都有点儿斜。不过，伽利略做自由落体实验的斜塔，大家一致认为是图1-4所示的这座。
图1-4 比萨斜塔
这个故事很优美，流传很广。不过，后来的意大利史学家经过研究得出了令人沮丧的结论：可能有人在这座斜塔上做过自由落体实验，但肯定不是伽利略；伽利略也许做过类似的自由落体实验，但肯定不是在这座斜塔上。
比较可靠的是，一些反对自由落体实验的人曾在这座塔上做过实验，结果两个重量不同的小球没有同时落地。于是，塔下的观众爆发了激烈的争吵。因为观众中既有反对伽利略观点的人，也有拥护伽利略观点的人。拥护伽利略观点的人怀疑做实验的人两手没有同时松开。其实，我们今天知道，即使实验者两手精确地同时松开，两个重量不同的小球也不会准确地同时落地，因为这个实验必须排除空气阻力的影响。自由落体实验只有在真空中进行，才能准确地得到自由落体定律。
那么，伽利略是怎么得到这一定律的呢？其实，在伽利略之前很久，就不断有人质疑亚里士多德认为重物下落比轻物快的结论。有人设想把一个重物和一个轻物绑在一起，其重量肯定比单独一个更重。那么，按照亚里士多德的结论，绑在一起的两个物体将下落得比其中任何单独一个都要快。但是，你换一个思维方式就会得到不同的结论：绑在一起时，其中的重物下落快，重物就扯动轻物使其加速下落，而轻物则将拖重物后腿，让它慢一点下落。由此看来，这两个绑在一起的物体下落时将比单独的重物下落慢，而比单独的轻物下落快。于是得到了与前面不同的结论。怎么才能化解这一矛盾呢？唯一的办法是认为重物与轻物下落得一样快。
伽利略考虑了一个思想实验。把同样大小的金球、铅球和木球放在一盒水银上，根据阿基米德定律，金球将下沉，铅球和木球将浮在水银面上。如果把它们放在水箱中，根据阿基米德定律，金球和铅球将下沉，金球会比铅球下沉得更快。如果在空气中让它们下落，金球和铅球将几乎同时落地，木球下落速度会略慢一些。伽利略由此推测，如果排除空气阻力，这三个球很可能会同时落地。这就是说，在真空中自由下落的物体，不管其成分和重量，将会下落得同样快，于是他猜出了自由落体定律。
然而，光有上述思考还是不够的。伽利略通过斜面实验最终确认了他的自由落体定律。
伽利略做了图1-5所示的小球沿光滑斜面下滚的实验。他发现，只要固定一个斜面的角度，则不同重量的小球的下滚加速度就相同。如果把斜面竖直一些，则各种小球的下滚加速度仍然相同，只不过加速度的值大了一些。斜面越接近竖直，小球的下滚加速度越大，但各种重量的小球的下滚加速度仍然保持相同。他想，按照这个趋势，如果把斜面完全竖直，各种重量的小球的下滚加速度仍然会相同。而这时的小球不就是自由落体了吗？于是他确认了自由落体定律：自由下落物体的加速度与它们的重量无关。
图1-5 研究自由落体定律的斜面实验
所以，虽然伽利略可能没有在斜塔上做过自由落体实验，但是他做了上述小球从斜面上自由下滚的实验。他认识到斜面上小球的下滚运动，就是“冲淡了”或“减缓了”的自由落体运动。于是我们明白了，他是通过斜面运动，发挥思想实验的威力，证实了自由落体定律。
伽利略做过多次斜面实验，熟能生巧，他把这个实验推广为思想实验，把斜面竖直得到了自由落体定律。前面我们曾说到，他把斜面放平，得到了惯性定律。在科学研究中，研究者经常把自己用熟的技能举一反三，应用于其他领域，得到新的重要的结果。
1642年：物理学重要的一年
20世纪60年代我在中国科学技术大学上学时，钱临照先生给我们上普通物理力学课。他一开始就说，有一个年份，你们这些学物理的学生应该记住，那就是1642年。这一年的1月8日伽利略逝世，圣诞节12月25日的晚上牛顿出生。记住这一年，就记住了经典力学创建的大致时间。我后来查了一下这相当于中国的什么时候——明末清初。1644年李自成进北京，同年，清军入关。通过这一对比可以看出，当时的中国虽然国内生产总值（GDP）仍然世界第一，但早已不是世界领先的大国，科学技术和文化已经大大落后于西方了。
后来我了解到，对于牛顿是否出生在1642年的圣诞节，科学史上有一些争议。这是因为，按照现在的公历（格列高利历），伽利略确实逝世于1642年的1月8日，但是牛顿却是出生在1643年的1月4日。这是怎么回事呢？大家知道，古代的希腊和罗马，原来用的是阴历。从凯撒开始，欧洲才用古埃及使用的阳历取代阴历，这就是公历。这一历法在历史上称为儒略历，儒略是凯撒的名字。按照儒略历，一年有365又1/4天，四年一闰。但是这一历法在使用1000多年后，与天文观测出现了较大的偏差。于是在16世纪后期，教皇格列高利组织一批天文学家对历法进行修订。最终在1582年公布了经过修改的公历，即格列高利历。这个历法与儒略历差了10天。到1642年前后，在意大利等天主教控制的国家和地区已全部改用新的格列高利历，但是在不听从罗马教廷的地区，例如信奉新教、东正教地区，则仍然使用旧的儒略历。按照格列高利历，伽利略逝世于1642年1月8日，牛顿则出生在1643年1月4日。但是牛顿诞生的英国，不听从罗马教廷的指挥，仍然使用旧的儒略历，按照儒略历，牛顿确实出生在1642年12月25日的晚上。
牛顿自己，他的母亲和同胞，都认为他出生在1642年圣诞节的晚上。这一时间很有戏剧性，而且便于和伽利略的生平相联系，所以大家都愿意认为，伽利略逝世和牛顿诞生都发生在1642年。
顺便说一点，我们只要注意一下，就会发现首先使用新历的天主教国家，基本上都是罗曼语族（又称拉丁语族）的国家，例如意大利、法国、西班牙、葡萄牙和拉丁美洲的国家，它们都是听从罗马教廷的国家。后来采用新历的新教国家，则主要是日耳曼语族的国家，例如英国、德国、荷兰和美国。欧洲最晚使用新历的东正教国家，一般是斯拉夫语族的国家，例如俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、塞尔维亚等。俄国是在1917年十月革命之后才使用新历。按照旧的儒略历，革命确实发生在10月；按照新的格列高利历，十月革命则发生在11月7日。我国则是1911年辛亥革命之后才用公历的，直接就用了格列高利历，跳过了儒略历。
我们从上面的资料注意到，天主教、新教和东正教可以说是不同的文明，可以说它们之间存在文明的冲突。但是我们更应该注意这三种文明的背后是使用三大语系的民族。所以，文明的冲突背后往往隐藏着利益的冲突。只说文明的冲突，不能认为已经说到了点子上。文明冲突的背后，更本质的是利益的冲突，是不同国家、民族、阶级、阶层之间利益的冲突。
“上帝说，让牛顿去吧”
伽利略时代的科学研究，积累了大量的实验资料，并总结出一些初步的物理规律，当然主要是在力学领域和光学领域。这些初步的知识，有待升华成系统的理论。
这时，牛顿诞生了。牛顿在前人工作的基础上，进行了大量的深入研究，并加以系统总结，最终在44岁的时候，出版了经典力学的巨著——《自然哲学的数学原理》（以下简称《原理》）。这本书堪称经典物理学的“圣经”，使经典力学成为一门成熟而完备的科学，为物理学的其他分支树立了样板，也为其他的自然科学树立了榜样。
这本书仿照欧几里得几何的公理体系写成，首先定义了时间、空间、质量、惯性、外力等基本概念，然后以公理的方式提出了力学三定律和万有引力定律，把它们作为基本理论，再从这些定律出发得出许多推论，并解决各种具体问题。牛顿是微积分的创建者，但当时微积分处于构想阶段，还没有成熟到可以大规模应用，所以牛顿这部巨著所用的数学工具仍然主要是欧几里得几何，书中有不少几何插图。
牛顿认为存在脱离物质和运动的独立的绝对时间和绝对空间。他说：“绝对的、真实的和数学的时间自身在流逝着，而且因其本性，均匀地、与任何外部事物并不相关地流逝着，它又可以叫作绵延（Duration）；相对的、表观的和普通的时间是延续性的一种可感知的、外部的（无论是准确的还是不均匀的）借助运动来进行的量度，我们通常就用它来代替真实时间，例如一小时、一个月、一年。”
“绝对空间，就其本性而言，与任何外部事物无关，它总是相同的和不可动的。相对空间是绝对空间的某个可动的部分或量度……”
从上面的叙述可以看出，牛顿认为，在存在绝对时间和绝对空间的同时，还存在相对时间和相对空间。相对于不可直接感知的绝对时间和绝对空间而言，相对时间和相对空间则是可感知、可度量的。他认为我们通常用运动去度量、去测量的时间和空间，都是相对时间和相对空间。不难看出，他所谓的相对空间，就相当于现在所说的参考系。
他在《原理》这本书一开始的“运动的公理式定律”部分的推论Ⅴ中写道：“一个给定的空间，不论它是静止，或者做不含圆周运动的匀速直线运动，它所包含的物体自身之间的运动不受影响。”这里面包含了惯性系的定义和相对性原理的思想。
他把质量定义为物质的量，并认为质量与物体的重量成正比。他又指出，质量与物体的惯性成正比。不难看出，前一个说法定义的是引力质量，后一个说法定义的是惯性质量。这样定义的两种质量，居然在物理测量中没有表现出差异，是非常奇怪的事情。牛顿曾经思考过这一问题，但没有得出答案。爱因斯坦后来也思考过这个问题，并由此建立了他的广义相对论。
牛顿是人类历史上两位最伟大的科学家之一，另一位是后来的爱因斯坦。当牛顿做出轰动全球的成就之后，英国诗人蒲柏写下了如下的赞美诗句：
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，
上帝说，
让牛顿去吧！
于是一切成为光明。
光是波还是微粒
牛顿61岁时，出版了他的另一部物理巨著《光学》，总结了他一生研究光的性质所得到的各种结论。不过，这本书远没有《原理》成就大。
牛顿主张光的微粒说，他认为光本质上是一种微粒。然而在他之前，欧洲的一些学者就提出了光的波动说，认为光是一种波动。著名科学家笛卡儿、惠更斯和胡克都认为光是一种波动。这些学者都比牛顿资历要老，当牛顿初出茅庐时，这些学者已经功成名就，甚至有的已经过世。牛顿一提出光的微粒说，就遭到波动说占统治地位的学术界的反对，当时已经担任英国皇家学会实验主持人的胡克，拒绝在皇家学会会报上刊登牛顿关于微粒说的论文。牛顿非常生气，从此以后不再给皇家学会会报投稿。所以，牛顿一生中发表的论文很少，他的科学成就几乎全部集中在《原理》和《光学》两部著作之中。人们有时看到的他的一些短文，例如《论运动》等，都是后人从他给别人的信件中摘出来的。牛顿经常在通信中长篇大论并给出计算过程，所以后人常把相关内容摘下来，作为他的文章刊登出来，供学术界和公众参考。
光的微粒说比较简单、直观，易于被世人理解。而人们在对光的研究中长期观察不到光的干涉现象，干涉应该是波动说必然导致的一种现象。在这种情况下，随着牛顿在力学方面的成就被公认，他在学术界的威信越来越高，大多数人逐渐放弃光的波动说，转而相信光的微粒说。于是，光的微粒说压倒了波动说。这种局面维持了100多年，直到1801年（一说1802年）托马斯·杨完成了光的双缝干涉实验（称为杨氏双缝实验）才发生改变，这一实验的现象是微粒说完全不能解释的。
英国人托马斯·杨是历史上有名的天才，据说他2岁就能读书，4岁时将《圣经》通读了两遍，14岁时已通晓拉丁语、希腊语、法语、意大利语、希伯来语、波斯语和阿拉伯语等多种语言，还会演奏多种乐器。他在物理、化学、生物、医学、天文、哲学、语言学、考古学等领域都有贡献。托马斯·杨先当医生，研究视觉，发现了眼睛散光的原因；转而研究光学，完成了光的双缝干涉实验。他认识到光是横波，并提出了颜色的三原色理论。此后他又破译了古埃及的罗塞塔（又译为罗塞达）石碑上的一些文字，对考古学做出了重大贡献。法国人商博良在此基础上进一步努力，最终完全破译了碑上的文字，奠定了研究古埃及历史的文字学基础。
光既然是波动，就需要有载体。那么，遥远恒星的光通过什么载体穿越辽阔的宇宙到达我们这里呢？人们想到了亚里士多德的以太学说。亚里士多德主张地心说，认为地球是宇宙的中心，而太阳、月亮和行星都镶在各自的透明天球上，随天球一起围绕地球转。离地球最近的天体是月亮。月亮天把宇宙分为内外两个部分，月亮天以下是月下世界，月亮天以上是月上世界。月下世界存在的东西都是会变化、会腐朽的。月上世界则充满了永恒存在的、轻而透明的以太。
于是人们把光波解释为以太的弹性振动，并让以太渗透到月下世界，包括地球上的万物之中。然而，以太相对于地球运动吗？令人没有想到的是，对这个看似简单的问题的讨论把学术界引向了相对论的发现，引发了物理学的革命。
从18世纪末到19世纪前半期，人类对电学和磁学的研究取得了长足的进展。库仑定律、毕奥-萨伐尔定律、安培定律和法拉第电磁感应定律相继被发现。1864年，麦克斯韦提出电磁场的基本方程组（即麦克斯韦方程组），电磁学的理论框架构建起来，成为一门成熟的物理学分支。所以学术界认为，麦克斯韦是继牛顿之后最伟大的物理学家。
有趣的是，麦克斯韦的正确的电磁方程组是从介质的弹性振动得出的。现在我们知道，电磁规律与任何介质的力学弹性都毫无关系。他从错误的学说得出了正确的结论，为什么会出现如此神奇的事情呢？实际上，他是根据当时已知的大量电磁实验结论，猜到了正确的结果，然后再用那时最时髦、最容易让学术界接受的学说来凑出自己希望得到的结果。正如苏联物理学家福克所说：“天才的，甚至不仅是天才的发现，都不是按照逻辑推理得出的，而是猜出来的。”
完全按照逻辑推理得到的结论，都不是最根本的原理，而只是原有理论的推论。真正带有原创性的科学发现，都是原有理论所没有的，直接来自人类对大量实验资料的思考、分析、总结，是由人类头脑中产生的从感性认识到理性认识的飞跃而得到的。
在对麦克斯韦方程组和其中的电磁学常数进行分析测量后，大家发现电磁场的传播速度恰是光速，于是认识到光波本质上就是电磁波。
革命风暴中的学者
1789年，法国大革命爆发。为反对保皇党和外国干涉军，革命党发出保卫祖国、保卫革命的号召：“祖国在危机中！”法国大部分知识分子和人民大众一起被卷入了革命的洪流，许多人担当起重任，数学家拉扎尔·卡诺（物理学家萨迪·卡诺的父亲）担任了革命政府的陆军部长，另一位数学家蒙日（画法几何的创始人）担任了海军部长，化学家富克鲁瓦担任了火药局局长。整个巴黎成了宏大的工厂，人民群众在科学家的指导下打造武器、制造火药。
随着人们革命热情的高涨，革命的刀斧指向了越来越多的人，著名的化学家拉瓦锡也成了牺牲品。
拉瓦锡是著名的化学家。一开始，革命政府对他还不错，待如上宾。但随着革命的发展，激进派渐渐把他归入剥削者的行列，后来又发现他与保皇党有来往，于是把他作为了革命对象。
革命之前，法国的国王和政府已经非常腐败。国王嫌收税麻烦，于是起用了不少包税官，由他们去向国民收税。他们只要向国王交够规定的税金就行，至于他们向老百姓收多少税，国王和政府则懒得管。于是这些人向老百姓大肆搜刮，中饱私囊。为了压制、管理老百姓，许多包税官还组成了包税公司。民众十分痛恨包税官和包税公司，把这些家伙视为吸血鬼、寄生虫。
拉瓦锡也是一个包税官，而且娶了包税公司老板的女儿。不过拉瓦锡通过包税官身份拿到的钱基本都用于了科研，所以还是应该被谅解的。但革命处于失控状态后，事情就麻烦了。拉瓦锡被捕入狱，革命法庭把他判处死刑。有人为他辩护，说他是学者，希望从宽处理。然而，法庭上出现了一个丑恶的声音：“共和国不需要学者！”
拉瓦锡的夫人玛丽·拉瓦锡非常贤惠，平时除去做好家务，不让拉瓦锡分心之外，还帮他打扫实验室，帮他做实验。在历史上，拉瓦锡夫妇被视为科学家夫妻的典范。在刑场上，玛丽捧着拉瓦锡的头，希望政府能在最后一刻宽容他。然而，奇迹最终未能出现。断头机砍下了拉瓦锡的头颅。第二天，数学家拉格朗日悲痛地说：“砍下拉瓦锡的头，只需要一瞬间，但法国再过100年也难以长出这样的头了。”三年之后，革命政府为拉瓦锡平反，在巴黎为他建造了半身铜像。但铜像不能思考，法兰西蒙受了无法弥补的损失。
拉瓦锡死后，玛丽改嫁给拉姆福德。拉姆福德是美国人，美国独立战争爆发时，他站在英国政府一方，反对独立。失败后，他去了英国、法国，又转到德国。他是一位工程师，在行政管理方面也很有才能，后来当过德国的陆军部长。不过，玛丽嫁给拉姆福德后，还是觉得生活不如以前美满。
拉姆福德在工厂监制大炮时，发现在切割制造炮筒的黄铜时会产生很多热，甚至能把铜屑熔化。当时热被认为是一种物质，被称为热质。拉姆福德非常疑惑：黄铜中怎么会有那么多热质流出来呢？有时候由于切削刀钝，甚至一点黄铜屑也没有削下来，不可能有热质从内部流出，但黄铜还是变得非常热，怎么回事呢？他开始怀疑热质说。后来，他写了一篇文章，不同意热质说，认为热是一种“运动”。这应该看作人类认识上的一次飞跃。
英国学者戴维看了拉姆福德的文章后，非常赞同后者的观点。他在一次对公众的科普讲演中，把两块冰相互摩擦，观众看到两块冰在摩擦中渐渐融化，都相信了戴维的观点——是摩擦时的运动转换成了热。于是“热是一种运动”的观点在大众中逐渐传播开来。后人分析这一实验后，认识到仅仅摩擦产生的那一点热量，完全不足以使冰块融化，更重要的原因是实验表演中隔热措施不够严，有外界的热量流入了冰块。然而，无论如何，戴维的实验表演是成功的，它使公众相信了“热是一种运动”这个正确的观点，在宣传上沉重打击了热质说。
热学研究的突破性进展
（1）卡诺循环与卡诺定理
第一位对热学研究做出重大贡献的人是法国青年物理学家萨迪·卡诺。他是曾经担任过革命政府和拿破仑政府陆军部长的数学家拉扎尔·卡诺的儿子。青年卡诺毕业于大革命中创立的巴黎综合理工大学，毕业后潜心于研究热机效率。拿破仑失败后，他的父亲被撤职流放，他也被从军工部门赶出。此后，他更加注意基础理论的研究，并在28岁时提出了卡诺循环，还证明了卡诺定理。这个定理指出，工作于高温热源T1和低温热源T2之间的循环热机的效率为
。其中以理想的可逆热机的效率为最高（即上式中的等式）；一般的、实际的热机都是不可逆热机，效率用上式中的不等式表示。
他是用当时流行的热质说来证明这一定理的。按照热质说，热机做功与水轮机做功类似。就像水从势能高的地方落向势能低的地方，推动水轮机做功一样，热质从高温热源落向低温热源，推动了热机做功。他认为，正如水轮机做功时，水的质量并未发生变化一样，热机做功时热质的多少也没有发生变化，只是热质从高温处落向了低温处。
现在我们知道，热质并不存在，不过卡诺证明的定理却是正确的，而且在热学中十分重要。我们又看到了一个用错误的学说推出正确的结论的例子。实际上，卡诺也是在研究了大量热机的例子后，猜到了正确的科学结论，然后用当时学术界承认的最时髦的理论来凑出一个证明，以使大家相信这一正确的科学结论。
卡诺一生很不幸。36岁那一年是他的灾难年，他6月份先后患了猩红热和脑膜炎，8月份又患了霍乱，这些都是致命的传染病。最终，他在8月份没有扛过霍乱，与世长辞。因为害怕传染，他的遗物包括科研资料均被焚毁。
46年后，卡诺的弟弟在家中阁楼上发现了一个他遗留的笔记本，从上面的记录看，他当时已对热质说产生了怀疑。不幸的是，他没有来得及公布这些研究结果，就与世长辞了。
（2）热力学第一定律
19世纪中叶，热力学第一定律和第二定律相继被发现。
热力学第一定律就是大家熟悉的能量守恒定律在热力学问题中的形式。它的发现者一共有三个人，迈尔、焦耳和亥姆霍兹。
迈尔是德国的一位医生。他青年时曾跟随一艘考察船到热带去考察。他在比较人和动物在热带和温带的血液时，注意到血液颜色随气候变化而变化。受此启发，他悟出了能量的概念，并认识到不同种类的能量可以转换，但总量守恒。他把这一研究成果写成论文投给一家物理杂志社，以为能发表出来，所以每当这个杂志出版的时候，他就去翻阅，结果是连续的失望——人家根本没有登他的论文。他的论文观念新颖，所用词汇又往往不是物理学的标准词汇，编辑部认为他胡扯，早就放到一边，不予理睬了。于是他转而去求一位在一家生物杂志社编辑部工作的朋友，那位朋友真的设法在这个生物杂志上刊登了他的第一篇论文，他很高兴，又写了第二篇，希望能在这个杂志上继续发表。那位朋友不得不告诉他，由于发表他的第一篇论文，自己已经受到同事的责难，指责他刊登与生物学无关的论文，所以不能再发表他这方面的论文了。
迈尔是非常不幸的：两个儿子早夭，弟弟由于参加革命活动被捕；他精神受到很大打击，决定跳楼自杀，摔断了双腿，幸未致死，人们把他送入精神病院。稍微令人欣慰的是，他最终看到了自己的研究成果被承认。
第二位对热力学第一定律做出重大贡献的人是英国人焦耳，他是一位啤酒厂老板的儿子，后来自己也当了啤酒厂的老板。他不是学物理的，但对物理极感兴趣，业余时间进行了不少关于热学和电磁学的研究。他做了很多实验，有不少重要发现，但是他投给物理杂志社的稿也被拒了，原因是他用的词汇和说法都不是物理学专用的。于是他只好把自己的文章投给一些小报，在小报上刊登。幸运的是，小报上的文章被大物理学家开尔文看到了。由于他词汇和用语不标准，开尔文还去拜访他，终于弄懂了他的发现。开尔文是一位品德高尚，不仅自己成就很大，而且乐于推荐别人的伯乐式的人物。在开尔文的推荐下，焦耳参加了一次物理学研讨会，获得了小组发言的机会。但是，由于他用词不标准，与会者都没有听懂他的意思，幸而开尔文现场发言进行补充说明，大家终于听懂了他的发现。
第三位独立对热力学第一定律做出重大贡献的人是德国的亥姆霍兹。他最终明确提出了能量守恒和转换定律，把能量概念明确地从机械能推广到各种物理领域。
能量守恒定律的提出，很大程度上是针对第一类永动机的。当时社会上的一些人痴迷于设计不需要能源而可以永远运作的永动机，即科学史上所说的第一类永动机。人们从实践中逐步悟出这种一本万利的永动机似乎造不出来。亥姆霍兹明确指出，由于能量守恒，这种永动机是根本不可能造出来的。所以，热力学第一定律，即能量守恒定律的另一种说法就是：第一类永动机是不可能造出来的。
（3）热力学第二定律
1850年，德国学者克劳修斯提出一条新的物理定律：
热量不能自发地从低温物体流向高温物体而不产生其他影响。
言外之意是，热量只能自发地从高温物体流向低温物体，这与人们日常的生活经验是一致的。
这条新的定律被称为热力学第二定律，也就是说，它在科学中的地位和热力学第一定律（能量守恒定律）同等重要。热力学第一定律告诉我们存在一个重要的物理量：能量。克劳修斯指出，热力学第二定律也告诉我们，还存在另一个重要的物理量：熵。熵是什么？它往往不容易被理解，通俗点说，熵就是混乱度的度量。一个系统内部的混乱度越高，它的熵就越高。
熵与能量不同，它不守恒。在孤立系统或绝热系统（即与外界没有热交换的系统）中，熵只会增加不会减少。
熵这个物理量的提出十分重要。孤立系统中的熵只会增加不会减少，反映了时间的流逝性和方向性，指出自然界存在“时间箭头”。到目前为止，除去熵及其衍生的物理量之外，没有任何东西可以反映时间的流逝性。所谓宇宙学的时间箭头，生物进化的时间箭头，心理学的时间箭头，都不过是“熵增加原理”这个物理学时间箭头的反映。
我们看到，克劳修斯的贡献是非常巨大的。他在提出热力学第二定律的同时，提出了“熵”这个物理量。
第二年，英国学者开尔文发表了另一篇重要论文，提出热力学第二定律的另一种表述：
不能从单一热源吸热做功，而不产生其他影响。
这种表述是针对第二类永动机的。不需要能源的第一类永动机被热力学第一定律彻底否定了。然而还有另一部分痴迷于永动机的人，他们避开热力学第一定律，希望设计从单一热源吸热做功的第二类永动机。例如从海洋中不断地提取能量做功，海洋中的热量似乎是无穷尽的，而且温度似乎也没有下限，他们希望制造这样从单一热源吸热做功的永远运作的永动机。
热力学第二定律堵塞了他们的幻想，这条定律的另一个说法就是：第二类永动机是不存在的。
开尔文在完成了自己的论文，准备发表时，看到了克劳修斯刚刚发表的论文，他感到非常遗憾。他承认克劳修斯的发现早于自己。他申明自己不想和克劳修斯争夺热力学第二定律的发现权。不过他也想申明，他是在没有看到克劳修斯的论文时独立完成自己的工作的。
容易证明，他们二人的上述发现是等价的，他们的表述只是措辞不同，实际上是同一条定律。这两种表述，在热力学中同等重要，并一直沿用至今。
人们后来发现，卡诺定理等价于热力学第二定律的上述两种表述，所以，卡诺定理也可以看作热力学第二定律的另一种表述。
物理学家兰兹伯格认为，热力学第二定律的发现者是两个人，卡诺和克劳修斯，排除了开尔文。不过，笔者认为，排除开尔文是不对的。应该承认，开尔文也是热力学第二定律的发现者之一。
历史资料表明，开尔文是一位十分谦虚的人，他没有为自己争夺名利，他向科学界举荐了许多当时不为人知的小人物，例如前面提到的焦耳，后面我们还会提到的皮埃尔·居里（著名的居里夫人的丈夫）。
开尔文除去对热力学第二定律有独立贡献之外，还提出了被科学界沿用至今的热力学温标，并预见到热力学第三定律的存在。
（4）热力学第三定律与第零定律
1912年，德国物理学家能斯特从热力学第二定律得到一个推论：
不能通过有限次操作把系统的温度降到绝对零度。
也就是说，绝对零度是达不到的。爱因斯坦指出，这个结论是正确的，但不可能从热力学第二定律推出。爱因斯坦认为，这个结论是一条独立的定律，这就是热力学第三定律。
兰兹伯格总结说：热力学第一定律的发现者有三个人，迈尔、焦耳和亥姆霍兹；热力学第二定律的发现者有两个人，卡诺和克劳修斯；热力学第三定律的发现者只有一个人，能斯特。按照这个规律，如果有热力学第四定律，它的发现者数目是零，换句话说，不可能存在热力学第四定律。
当然，这是开玩笑。我们确实没有发现热力学第四定律。但是后来的研究发现，实际上还存在一条和上面三条定律同等重要的定律。不过这条定律在物理学中的位置，不应该排在上述三条定律之后，而应该排在它们之前，所以后来人们把这条定律命名为热力学第零定律。
20世纪初，德国的卡拉特奥多里建立了一套公理式的热力学理论。他模仿欧几里得几何的体系来表述热力学。1909年，他在“热平衡具有传递性”的假设下，证明存在一个描述热平衡的物理量——温度。他指出了温度这个众人皆知的物理量在热力学中的位置。
1939年，英国的福勒明确指出，“热平衡具有传递性”应该被看作一条独立的公理（定律），即热力学第零定律。热力学第零定律的提出比热力学第三定律晚了30年左右，比热力学第一、第二定律的提出则晚了100年左右。