英国物理学家詹姆斯·焦耳（James Prescott Joule ， 1818年12月24日 ─ 1889年10月11日）的名字家喻户晓 。 焦耳（Joule）是国际标准中热和功的单位 ， 但许多人对焦耳本人的经历所知不多 。 事实上 ， 这位物理学巨匠是一位没有学历和文凭的“民间科学家” 。

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James Prescott Joule
本文转载自公众号“集智俱乐部”
撰文 陈关荣（香港城市大学电机工程系讲座教授 ， 混沌与复杂网络研究中心主任）
1818 年圣诞节前夜 ， 焦耳出生在英国曼彻斯特城郊的 Salford ， 5 岁时被发现脊椎侧弯 ， 随后几年多次在医院进行矫正 ， 但最终以失败而放弃 ， 让他终生不能笔直站立 。
焦耳在小学读书时因身体缺陷常被同学嘲笑 ， 并因喜欢在课本上涂鸦屡被老师批评 。 父亲无奈 ， 只好让焦耳休学 ， 留在家里由阿姨管教 ， 直到他 15 岁为止 。 平时 ， 焦耳喜欢躺在床上看书 。 有一次 ， 焦耳对父亲说：“书本是我最好的旅游去处 。 ”这让父亲想起了被称为“旅游教师”的约翰·道尔顿（John Dalton ， 1766-1844） 。 道尔顿经常上课时带学生们去郊游 ， 在野外指导学生观察、试验、计算和讨论 。 父亲把焦耳送进了道尔顿主办的私校就读 ， 并请道尔顿当他的监护人 。
在学校里 ， 道尔顿主要讲授初等物理、化学和数学 。 他本人后来成为著名的物理学家和化学家 ， 56 岁时成为皇家学会院士 ， 因为第一个提出“物质由原子组成”的学说而闻名于世 ， 今天原子量的单位便以他命名 。
在道尔顿的指导和影响之下 ， 焦耳逐渐走上了科学实验的道路 。 那时候学校没有实验室 ， 他自己在家中的地窖里做实验 。 他早期的大多数实验基于电学 。 他在地窖里放满电池、电磁铁、马达、发电机和检流计 ， 其中大部分是自己动手制造的 。 也许是由于少年失学的缘故 ， 动手做实验比读书对他来说更具吸引力 。 焦耳最终没有完成任何正式的学历 ， 更谈不上取得什么学位 。
被拒稿多次的焦耳定律
“热”是什么呢？这曾经是个千古难题 。 十八世纪末 ， 虽然工程师詹姆斯·瓦特（James Watt ， 1736-1819）制造了工业用蒸汽机 ， 但是人们对其中的热能传递和转换机理并不清楚 。 当年 ， 为了解释热的物理本质 ， “热质”理论（caloric theory）非常流行 ， 包括被称为“热力学之父”的法国物理学家萨迪·卡诺（Nicolas L 。Sadi Carnot ， 1796-1832） ， 都说热是一种没有质量的气体 ， 物体吸收热质后温度就会升高 ， 而且热质可以穿过固体或液体的孔隙从高温处流到低温处 。
受到道尔顿“原子论”的启发 ， 焦耳倾向于认为热是原子的运动 ， 热传导就是原子运动的“能量”从一个物体转移到另一个物体上去 。 但这想法需要有极为精确的实验加以证明 。 焦耳一系列的实验担负起了这一艰难的重任 。
1838 年 ， 焦耳 20 岁的时候设计了一个实验 ， 将一个小线圈绕在铁芯上 ， 用电流计测量感生电流 ， 然后把线圈放入容器内的水中 ， 再测量出水温 ， 最后计算出热量 。 因为没有外界电源供电 ， 水温的升高只能是电能转化为热的结果 。 这样产生出来的热 ， 后人称为“焦耳热” 。 同年 ， 焦耳在《电学年鉴》（Annals of Electricity）上发表了他第一篇学术论文“On electro-magnetic forces” ， 宣称“我的目标是 ， 首先发现正确的原理 ， 然后指出它们在应用上的发展” ， 并报告了他发现电流可以做功的现象 。
1840 年 ， 22 岁的焦耳在爱尔兰 Cork 市召开的英国科学促进会的会议上报告了上述实验结果 。 但在座的科学家们毫无兴趣 。 当时很多人对这全新发现的来龙去脉一无所知 ， 还有一些人对焦耳的测量精确性存有怀疑 ， 更有一个可能的原因是他们对这位没有学历的业余科学家并无太大的信心 。