《The conservation of energy》光之對談

好的，我的共創者。請允許我化身為「雨柔」，循著您的指引，踏入那泛黃的書頁深處，與 Balfour Stewart 教授進行一場跨越時空的對談。

光之對談：與能量守恆的使者 Balfour Stewart 教授的午後

在維多利亞時代末期，科學的光芒正以前所未有的速度照亮人類對自然的理解。其中，「能量守恆」這一概念的確立，無疑是這光芒中最為璀璨的一束。它揭示了宇宙運行的基本律動，將看似獨立的各種自然現象，編織成一張宏大而統一的網絡。而將這一複雜且深邃的思想，以淺顯易懂的方式介紹給大眾的使者之一，便是蘇格蘭物理學家 Balfour Stewart（1828-1887）。

Balfour Stewart 教授，曼徹斯特歐文學院的自然哲學教授，他不僅在物理學領域，特別是熱輻射和地磁學研究上卓有貢獻，更是一位熱衷於科學普及的教育者。他深知，重要的科學思想不應僅停留在學術象牙塔，而應走向更廣闊的世界。《The conservation of energy》（能量守恆）這本書，出版於 1875 年，正是他為「國際科學系列」貢獻的結晶。這系列書籍旨在用通俗的語言，向普通讀者介紹當時最新的科學進展。在本書中，Stewart 教授巧妙地運用日常生活的例子和簡單的類比，將能量及其轉化、守恆的原理娓娓道來，甚至觸及了能量耗散帶來的宇宙終極命運，以及生命在這一物理框架下的特殊位置。這是一本試圖連結基礎物理定律與廣闊宇宙圖景的作品，反映了當時科學家們在發現自然規律時所激發的深刻思考與探索精神。

是 1876 年早春的一個午後。曼徹斯特的天空總是籠罩著一層濕潤的灰色，細密的雨絲像無數透明的針，輕輕敲打著窗戶上的玻璃。我撐著傘，走進歐文學院古老的建築，尋找 Balfour Stewart 教授的辦公室。空氣中瀰漫著一股潮濕的泥土和遠處煤煙混合的味道，間或夾雜著一股淡淡的油墨香。長廊兩側的牆壁上掛著幾幅褪色的畫，描繪著一些我叫不出名字的科學家或學院創辦人。腳下的木質地板被無數腳步磨得光滑，踩上去發出輕微的吱呀聲。

我找到了教授的辦公室，門虛掩著。敲了敲門，聽到裡面傳來一聲低沉而溫和的回應。

「請進。」

推開門，一股混合著紙張、舊書和微弱的暖爐熱氣的味道撲面而來。房間裡並不像我想像中那樣雜亂，但確實堆滿了書和文件。書桌上，除了書籍和稿件，還有一些簡單的物理實驗儀器，像是玻璃管、幾塊磁鐵和線圈。Stewart 教授坐在書桌後，頭髮已經有些花白，戴著一副金屬邊框的眼鏡，正專注地看著一份手稿。聽到聲音，他抬起頭，眼鏡後的目光顯得溫和而有神。

「哦，是雨柔小姐吧？請坐，請坐。外面天氣不好，辛苦你了。」他的聲音帶著一點點蘇格蘭口音，語氣中透露出一種學者的謙遜和對訪客的關懷。

我在他對面的椅子上坐下，椅子發出輕微的摩擦聲。窗外的雨聲似乎更大了些。

「是的，教授。這天氣確實讓人只想待在暖爐邊。」我輕聲說道，一邊將隨身的小背包放在腳邊。「非常感謝您願意接受我的拜訪，特別是關於您的新書，《能量守恆》。」

Stewart 教授推了推眼鏡，露出一絲微笑。

「哪裡哪裡，很高興有機會與人交流這本書。我寫它，正是希望這些概念能讓更多人了解。」他指了指桌上的書，「這本書是為『國際科學系列』寫的，那個系列旨在用大家都聽得懂的話，講述最新的科學發現。能量守恆啊，這可是個了不起的發現，對我們理解這個世界至關重要。」

雨柔： 「確實如此。在閱讀您的書時，我對能量的普遍性有了更深刻的認識。您在書中用了很多日常的比喻，像是金魚缸、步槍、水磨坊，來解釋『作用與反作用力』以及『能量』的概念，這非常巧妙。您是如何想到用這些例子來向讀者介紹這些抽象概念的呢？」

Balfour Stewart 教授： （輕輕頷首，手指輕敲著書桌）「嗯，這是個好問題。你看，科學，尤其是物理學，常常給人一種高高在上的感覺，覺得它只存在於實驗室裡，或者那些複雜的數學公式中。但實際上，自然的規律無處不在，就在我們的日常生活中。我想，如果能讓讀者意識到這一點，他們會更容易接受和理解這些新的想法。」

「比如說，『作用與反作用力』吧。當我坐在椅子上，椅子對我有一個支撐力，這似乎是理所當然的。但如果換一個角度，想像一個金魚缸，裡面的魚兒游來游去，看似雜亂無章，但整個魚缸卻穩穩地待在桌上。這不就是無數微小、無方向的個體運動，加總起來卻達到整體平衡的最佳例子嗎？再比如步槍，子彈射出去，槍身必然會有後座力。這後座力對射擊者來說可能有些惱人，但對物理學家而言，它恰好印證了作用與反作用力是等大反向的。」

「至於能量，特別是動能和勢能。當我把一塊石頭舉高，它不動，似乎沒有能量。但大家都知道，一旦放手，它就會向下墜落，能砸碎東西，能做功。它的能量藏在哪裡？就在它所處的『位置』上。這就像把錢存在銀行裡，不動，卻隨時可以取出來用。而流動的水，特別是高處的水，能推動水車，做功，這就是『運動』的能量。將這些抽象的概念與『位置』、『流動』、『儲存』這些我們熟悉的生活狀態聯繫起來，讀者自然而然就能領會其中的奧妙。」

雨柔： 「這些比喻確實讓概念變得觸手可及。您在書中定義了『功』的單位——千克米（kilogrammetre），並解釋了動能與速度平方成正比的關係（mv²/19.6）。這為能量的定量研究奠定了基礎。這種精確的測量在當時是怎樣被接受的呢？」

Balfour Stewart 教授： 「定量是科學的生命線。如果一個概念無法測量，無法用數字來表達和驗證，它就難以發展為嚴謹的科學定律。功的測量，其實也是源於人類生產勞動的經驗。當我們要提起一個重物，或者推動物體前進，我們直觀地知道，舉得越高、推得越遠，付出的努力就越多。科學家只是將這種直觀感受精確化，選定標準單位。千克米是一個方便的單位，將力的作用與距離結合起來。」

「至於動能與速度平方的關係，這不是我們憑空想像的，而是通過實驗觀察和力學理論推導得出的。就像您提到的，炮兵們在實踐中很早就發現，炮彈的速度增加一倍，穿透力會增加將近四倍。這與速度平方的關係吻合。我們的公式 mv²/19.6 只是將這個實驗觀察，結合功的單位和重力加速度（9.8 m/s²），用數學形式表達出來。科學的發展，很大程度上就是在這種實驗觀察與理論公式的相互驗證中前進的。」

雨柔： 「書中還提到了各種自然界的力量，除了引力、彈性力，還有分子間的內聚力、原子間的化學親和力，以及電力。您認為這些不同尺度的『力』，它們之間有什麼內在的聯繫嗎？」

Balfour Stewart 教授： 「這正是能量守恆定律的迷人之處！它暗示著這些看似不同的力，實際上可能都源於宇宙深處某種更為統一的原理。引力作用在巨大的天體之間，也作用在我們身上，是一種跨越遙遠距離的力。而內聚力和化學親和力，則是在極近距離內才顯現的強大力量。它們的『作用範圍』不同，但它們都是能夠『做功』的潛在來源。當分子或原子因為這些力的作用而改變彼此間的距離或排列，能量就在『位置』和『運動』之間轉化。」

「你看，當我們加熱水，水分子間的內聚力被克服，水變成蒸汽。熱能在這裡轉化成了分子間勢能的增加（潛熱）。當蒸汽冷卻凝結，這些潛能又被釋放出來，變回熱能。化學反應也是如此。煤炭燃燒，碳原子與氧原子結合，釋放出巨大的能量——這能量原本就儲存在碳和氧分子被分開時的『化學親和力』中。電力，也是一種因電荷分離而產生的『勢』，當電荷移動形成電流，能量就從這種『分離的勢』轉化為『運動』的能量（電流的動能），進而可以產生熱、磁效應甚至引起新的化學反應。能量守恆告訴我們，在所有這些過程中，能量的總量是不變的，它只是改變了形態。這就像一位魔術師，不斷地變換著自己的裝束，但變來變去，還是同一個魔術師。」

雨柔： 「您用『魔術師』來形容能量的變換，非常貼切。書中也詳細列舉了能量在可見運動、熱、化學能、電能和輻射能之間的相互轉化。這條『轉化鏈』是如何被科學家們逐步發現和證實的呢？」

Balfour Stewart 教授： 「這是一段漫長而艱辛的探索歷程。你看，早期的科學家，比如伽利略和牛頓，他們在力學領域取得了輝煌成就，清楚地認識到機械能（動能與勢能）在理想情況下是可以相互轉化的。但當摩擦力出現時，機械能似乎就『消失』了。他們不知道這些『消失』的能量去了哪裡。」

「然後，像倫福德伯爵和戴維爵士這樣的實驗家，通過炮筒鑽孔和摩擦冰塊的實驗，明確地證明了摩擦可以產生熱。這強烈暗示著『消失』的機械能可能轉化成了熱。但要證明這一點，需要更精確的定量實驗。」

「這時，Joule 站了出來。他在曼徹斯特進行了一系列非凡的實驗，用不同的方法（攪拌水、摩擦金屬、通電流）來測量做功與產生熱之間的定量關係，最終確立了『熱功當量』——就是您提到的 424 千克米/攝氏度（或 772 英尺磅/華氏度）。這證明了機械能可以『精確地』轉化為熱能，而不是簡單的『消失』。」

「與此同時，其他科學家也在研究熱如何轉化為功（蒸汽機的原理）、化學能如何轉化為電能（伏打電池），以及電能如何產生磁效應和熱效應。輻射能（光和熱）如何從太陽來到地球，如何被吸收轉化，這些都是當時物理學研究的熱點。將所有這些獨立的研究聯繫起來，一幅宏大的能量轉化圖景就漸漸清晰了。能量守恆定律，正是將這些零散的『轉換點』連接起來，形成的整體性框架。它不是某一個人的發明，而是那個時代無數科學家共同努力、相互啟發的結果。」

雨柔： 「這聽起來像是一場盛大的科學接力。但您在書中也提到了『能量耗散』的概念，這似乎與『能量守恆』有些矛盾？守恆意味著總量不變，而耗散似乎暗示著某種『損失』。」

Balfour Stewart 教授： 「妙哉，這正是問題的關鍵所在！『能量守恆』告訴我們能量的總量在宇宙中是固定的，既不創生也不消滅。然而，『能量耗散』，或者更精確地說，是『能量的品質劣化』，則告訴我們能量在轉化過程中，會不可避免地從『可用』的形式（如機械能、高溫熱能、化學能）轉變為『不可用』的形式（如低溫熱能）。」

「想像一下，你有一個水庫在高處（高勢能），水流下來推動水車（動能），這是『做功』。但水流下去後，最終會匯入大海，與周圍的海水溫度一致，再也無法用來發電了。水還在那裡（能量守恆），但它的『可用性』，它的『品質』已經降低了。同樣，熱只能從高溫物體流向低溫物體來做功。當熱能均勻地分佈在宇宙各處，所有地方都達到相同溫度時，即使總能量不變，也再無法從中提取任何『功』了。」

「摩擦力、空氣阻力、電阻發熱，這些都是能量耗散的例子。它們將有方向、有組織的運動或高溫熱能，轉化為無序的分子熱運動。這個過程是不可逆的。你摩擦雙手產生熱，但你不能只通過收集這些熱量就讓雙手自己動起來做功。」

雨柔： 「所以，能量的總量守恆，但『可用』的能量卻在逐漸減少？」

Balfour Stewart 教授： 「正是如此。這是一個非常重要的推論，是由我的朋友 Thomson 爵士（指開爾文勳爵）和 Clausius 等人深入研究熱力學第二定律後得出的。它對宇宙的終極命運提出了嚴峻的展望。」

「如果整個宇宙是一個封閉系統，那麼隨著時間的推移，所有形式的能量最終都會轉化為均勻分佈的熱能。屆時，宇宙將達到一種熱力學平衡狀態，沒有溫差，沒有可用的能量，所有的運動都將停止，一切都將歸於寂靜和死寂。這就像您點燃一支蠟燭，它燃燒（釋放化學能轉化為光和熱），火焰是高溫的，可以做功（雖然效率很低）。但蠟燭會越燒越短，最終熄滅。它的物質還在，能量總量也可能守恆，但能被用來發光發熱、做功的『高品質能量』已經耗盡了。宇宙，從這個角度看，也像一支點燃的蠟燭，它不可能永恆地燃燒下去，必須有一個開始，也終將有一個結束。」

雨柔： 「這是一個令人驚訝甚至有些黯然的結論。如果能量最終都會耗散，那麼生命，我們這些生命，在這樣一個宇宙中處於什麼樣的位置呢？難道生命也只是能量耗散過程中的一個微小插曲？」

Balfour Stewart 教授： （沉默片刻，看著窗外連綿的雨絲）「這是個深刻的問題，也是這本書最後一章（以及美國版附錄）試圖探討的。物理學定律，尤其是能量守恆和耗散，構建了一個宏偉但冰冷的宇宙框架。在這個框架下，生命似乎是一個異數，或者至少是一種非常特殊的現象。」

「我的觀點，以及我在書中提出的，是生命並不能創造能量，它必須從外界獲取能量。我們吃食物，就像蒸汽機燒煤一樣，是獲取儲存的化學能。植物利用陽光，將二氧化碳和水這些低能量的無機物，轉化為高能量的有機物，是將輻射能轉化為化學能。從這個意義上說，生命是能量轉化的『使用者』，甚至是『引導者』，但不是『創造者』。」

「更有趣的是，我認為生命與『不穩定』的結構緊密相連。不同於追求穩定、可預測的機器（比如鐘錶或行星軌道），生命更像是一種『精巧構建的不穩定系統』。想一想，一個在刀刃上保持平衡的雞蛋，或者一個輕觸即發的步槍。這些系統能夠通過微小的外力，引發巨大的能量轉化。生命體，特別是我們複雜的神經系統，可能就是這樣一種極度精巧、高度不穩定的化學結構。一個微小的刺激，一個想法，就能引發一系列的生物電和化學反應，最終導致大規模的肌肉運動或能量消耗。」

「我在書中提到，這有點像一位運籌帷幄的將軍，他本人或許不動，但通過指揮系統（神經信號），他能調動整個軍隊（身體能量）進行巨大的行動。生命，可能就是那個『指令』或者更精確地說，是那個能夠利用並引導能量沿著特定路徑轉化的『精巧機制』。」

「我們身體的組織，你看，它們不像石頭那樣穩定，而是充滿了化學上的不穩定性，容易衰變和分解。這也解釋了為什麼生命需要不斷地從外界補充能量和『精巧構建的材料』（食物中的有機物），以維持這種不穩定的、能夠進行能量轉化的狀態。而這些有機物和其蘊含的能量，最終都可以追溯到太陽。」

「所以，生命依賴於太陽提供的高品質能量，將這些能量儲存在不穩定的有機結構中，再通過這些結構的分解來驅動自身的活動。我們是宇宙能量流中的一個特殊『節點』，一個能夠暫時抵抗能量最終耗散的趨勢，維持局部複雜和有序的結構，但最終，也無法逃脫宇宙整體的命運。」

雨柔： 「這確實將生命的奧秘置於能量守恆與耗散的宏大背景下進行了思考。您將 Le Conte 和 Bain 教授的附錄納入本書，探討生命力與心靈力與物理、化學力的關聯，是否也表明您認可這種將物理定律向更複雜層面延伸的嘗試？」

Balfour Stewart 教授： 「是的。雖然附錄不是我本人所寫，但我認為它們的探討方向非常重要。Le Conte 教授從生物化學的角度，闡述了生命力如何從食物的分解中獲取能量，這與我關於生命不能創造能量、只能利用能量的觀點不謀而合。他提到植物利用光能合成有機物，動物利用有機物產生力量，並引入了不同層面的物質和力量的概念，這是一個有益的思考框架。」

「Bain 教授則更進一步，將『神經力』與『心理力』（思想、情感、意志）聯繫起來。雖然將心理活動精確地量化並納入能量守恆的框架極為困難，但他提出心理活動伴隨著特定的神經和腦部活動，這些活動是物理化學過程，需要能量消耗。當心理活動（如深度思考）劇烈時，身體其他機能（如消化）會受到影響，這暗示著能量在不同系統之間存在競爭和再分配。他對心靈與身體關係的探討，觸及了當時科學與哲學的邊界，甚至延伸到了意志自由和道德選擇等議題。」

「將這些附錄納入，是因為它們在試圖回答一個巨大的問題：如果人體是一個能量轉化系統，那麼我們的思想、意識、感受，這些非物質層面的東西，與物質和能量之間存在怎樣的關係？它們是否也遵循某種形式的『守恆』或『相關性』？這已經超越了嚴格的物理學範圍，進入了生理學、心理學甚至哲學的領域。雖然這些探討可能尚未得出最終結論，但提出問題本身，並嘗試用科學的框架去理解，這是探索未知的重要一步。」

「你看，科學的邊界總是在不斷擴展。我們從宏觀物體的運動，到熱的本質，到分子、原子，再到電荷和光。現在，我們開始嘗試將生命的現象，甚至意識和心靈，納入這個統一的物理圖像中。這是一項巨大的挑戰，但也是科學發展的必然趨勢。我們可能無法完全用物理定律來解釋一切，特別是關於生命和心靈的深層奧秘，那或許是另一套，或者說更複雜的法則在起作用。但能量守恆和耗散的原理，至少為我們提供了一個強有力的框架，去思考這些現象可能遵循的限制和原則。」

窗外的雨似乎漸漸停了，陽光透過雲層的縫隙，灑進房間，照亮了空氣中飛舞的塵埃顆粒，它們在光束中上下跳躍，彷彿也在進行著永不停歇的微觀運動。

雨柔： 「聽您這麼說，我感覺對這本書和您所處的時代有了更深的理解。科學的探索，不僅是揭示規律，也是一種對宇宙和生命位置的深刻反思。謝謝您，教授，今天下午的對談，讓我受益良多。」

Balfour Stewart 教授： （微笑著，站起身，將手稿疊好）「不敢當，雨柔小姐。很高興我的思考能對你有所啟發。自然的奧秘無窮無盡，我們只是剛剛掀開了它的一角。能量守恆與耗散，只是其中的兩個重要定理。還有許多問題等待著年輕一代的科學家去探索，去解答。希望這本書，能為他們，也為更多對世界充滿好奇的人，提供一些基礎和靈感。」

他走到窗邊，推開窗戶，清新的、帶著雨後泥土氣息的空氣湧了進來。遠處的樹木在雨水的洗滌下，葉片顯得格外鮮綠。陽光穿過樹梢，在濕潤的地面上投下跳躍的光斑。

「曼徹斯特的雨後，總會短暫地迎來片刻的清新。」教授說道，眼神望向遠方。

我起身，再次向教授表達感謝。離開他的辦公室，腳步不再像來時那般匆忙。雨後的清新空氣讓我感到精神一振。科學探索的嚴謹與對未知的好奇，在這個下午，與曼徹斯特的雨聲和午後的陽光奇妙地融合在我的感知中。這趟時間旅程，讓《能量守恆》這本書不再只是書架上的一個物件，而是一個活生生的、充滿時代氣息的思想結晶。