由於疫情，基本上沒有人來辦理業務。無聊的我，泡上一壺熱茶。看著茶湯在燭火的加熱下，升起嫋嫋的蒸汽，一個念頭突然跳入我的腦海——熱的載體是什麼？那一瞬間，人類發現熱的載體的過程，就像一個大片，帶我穿越時空，重新體驗了科學在發展中所經歷的一幕幕精彩鏡頭。從懵懂、瞎猜到抽絲剝繭，最後找出真相，所有環節竟然不遜色於一部偵探大片。
一、迷霧重重的熱
我們把熱毛巾敷在臉上，就能感覺到毛巾上的熱給皮膚帶來溫熱的感覺，臉部的皮膚會逐漸熱起來，毛巾的溫度會逐漸降下來。這是我們在生活中對熱量流動的最直觀感受。
如果沒有現代物理學知識，那麼在我們的感受中，很自然就會產生這樣的觀念：有一種叫做熱的物質，從毛巾進入到我們的皮膚，從而使面部溫度增加；毛巾上的熱物質減少，導致毛巾溫度的降低。
不光我們會這樣想，早期的科學家也是這樣認為的。伽利略就提出過類似的觀點，他認為，讓我們產生熱的感覺的是一種高速運動的微粒，當這種微粒通過我們的身體時，我們便感覺到熱。
不光是中世紀，在更早的古代人類也是這樣認識熱的。他們將光、火和熱三者模糊地等同看待。古希臘的四元素（水、土、氣、火）、古代中國的五行說（金、木、水、火、土）都將“火”列為其一。
由於人類很容易發現熱與火有關，所以，對熱的解釋常常和燃燒有關。化學家貝歇爾和施塔爾在17世紀提出燃素說，試圖解釋燃燒現象，當時也將燃素解釋為“熱的實體物質”。
熱質說是由普利斯特里提出的。他一直在從事燃燒相關的實驗，在實驗中他發現，燃素說與實驗結果不吻合。於是在1783年的論文中，因此提出“熱質”的說法。認為熱是一種能夠流動的物質，這就是熱質說。
此理論認為熱是一種稱為“熱質”（caloric）的物質，熱質是一種無質量的氣體，物體吸收熱質後溫度會升高，熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體，也可以穿過固體或液體的孔隙中。
可以說熱質說一直到了18世界都在物理學中處於統治地位，當時的著名科學家拉瓦錫、拉普拉斯、伽桑狄等人都是熱質說的支持者。拉瓦錫甚至把“熱質”列入化學元素表中，熱質被看作是一種不可稱量的“無重流體”，其粒子彼此排斥而為普通物體的粒子所吸引。
二、暗夜中的明燈
我們把科學剛剛確立的18世紀以及之前的時間看作是科學的暗夜，在這個階段中，主流的科學界並沒有形成對熱的正確認識，然而，即使是在這樣的科學暗夜當中依舊有幾盞人類智慧的明燈，他們憑藉著自己的個人智慧，依稀看到了熱的本質——微觀粒子的運動。
最早接近正確結論的是我們中國人。《莊子·外物篇》和《淮南子·原道訓》都認為，發熱燃燒是由摩擦運動所產生的，所謂“木與木相摩則燃”。而西方人，直到18世紀，才由培根，玻意耳、胡克和牛頓等人從經驗事實中得到熱是微細粒子的擾動或振動的結果 。
第一個明確提出熱動說的是，英國倫福德伯爵，他指出：熱就是運動的一種形式。
1798年，倫福德從事磨炮膛的工作，他發現當鑽孔機鑽孔時，金屬會變得非常之熱——熱到必須用水冷卻。他還注意到，如果他用的鑽孔機鈍到無法切割金屬，此時，金屬反而會變得更熱，至少不低於這一情況下所釋放的熱—— 他觀察到了熱與機械運動之間的關係。
倫福德的研究引起了焦耳及其他科學家的興趣，進而進行相關的研究。戴維恩的實驗使戴維恩由此導出熱質不存在的結論，並認為熱是物體微粒的振動。不過他的實驗並未得到當時的重視。
三、熱動說困難重重
我們今天把熱解釋為組成物體的微觀粒子的運動，這是非常容易的。因為隨便拉出來一箇中學生都知道物質由原子、分子組成、分子由原子組成、原子由更基本的粒子組成。而在18世紀，人類還沒有搞明白這些，科學家們，直到19世紀才開始研究原子。
在倫福德的年代，科學家們所說的微粒和我們的分子原子不是一回事。早在17世紀，波義爾在其著作《懷疑派的化學家》一書中就提到將“微粒哲學”作為化學的基礎。然而這個思想直到150年以後，19世紀初，由道爾頓提出原子理論，才得以實現。
這裡需要解釋一下科學的遊戲規則。我在很多文章裡都寫過類似“以觀察事實為依據探求自然規律”這樣的話，但是我沒說過“從觀察事實出發”，這是因為我們並不需要從完全的一張白紙開始進行觀察和實驗，而是通常先提出一個想法，然後通過觀察和實驗為這個想法尋找依據。
所以，儘管我們是以事實為依據的，但當然也允許在此之前先建立某種假說。特別是原子論，它無法用肉眼直接觀察到，因此必須要先建立這棟東西存在的假說，然後以此為前提討論通過怎樣的事實，採用何種實驗方法能夠為其背書。
如果觀察和實驗的結果否定了之前的假說，那麼我們應該毫不猶豫地拋棄它或者嘗試對其進行改善，這就是科學的遊戲規則。
四、物理和化學聯手建立原子論
隨著對熱力學的研究（熱動說後來被稱為熱力學），當時的物理學家們已經掌握了能量守恆定律和熵增原理，以及在這兩個原理上建立了一個體系。但這些理論都不能推導出每種物質具體的熱的特性。這些特性都需要通過實驗才能確定。
我們都知道，科學有一個特徵，無需逐一進行實驗就能夠從基本定律出發推導出各種結論。站在這個角度上看，這個時候的熱力學距離理想的形態還差得很遠。
這個時候的物理學家之所以要去研究原子，是因為他們發現僅僅將熱看作是一種能量的形態是無法解決問題的。具體來說，物理學家希望通過將熱能看作原子運動所產生的機械能來彌補熱力學的缺陷。
19世紀下半葉，物理學終於邁入了原子的世界。原子結構的部分內容，我在文章《 》裡面涉及到了一些，我這裡做些補充。
我們前面說的那些一直都是在說物理學的研究，粒子研究本來是物理學的任務，但率先建立原子論的卻是化學家。不過這是一位跨界的化學家——道爾頓。
道爾頓之前也是一直都在研究熱力學，他提出過道爾頓氣體分壓定律。他用原子之間的引力和斥力來解釋物體的三態變化，也用原子來解釋氣體分壓的原理。不過這些宏觀的數據都不能直接證明原子的存在。
但此時，化學中的定比定律已經廣泛地被化學家所接納了，比如2體積的氫氣和1體積的氧氣發生燃燒可以完全生成水。這讓道爾頓果斷地全面轉向了化學研究。終於在化學的基礎上提出了道爾頓原子論。
物體的分割是有限度的，分割到某個程度就無法繼續分割下去，因此原子個數是整數，這個整數一定發揮著什麼重要的作用。由於物體包含的原子太多，所以我們無法察覺到這個整數性的存在。但隨著倍比定律的發現，這一整數性就像地下礦藏一樣終於得見天日。
道爾頓的原子論存在一個重大的錯誤，他沒有區分原子和分子，他把化合物分子也當做了原子。意大利物理學家阿伏伽德羅認為，道爾頓說的原子並非一定是不可分割的，而可能有多個同種原子的結合物，也就是說，一種元素也可能由多個同種原子結合而成的。他將結合物與原子本身進行了區分，將前者命名為分子。
五、關於原子的論戰
隨著物理學家對於氣體定律的研究，尤其是蓋-呂薩克定律與波義爾定律結合之後就可以得出，兩種氣體，它們溫度相等、壓強相等，其體積比為某個值。然後改變它們的溫度和壓強，如果改變後兩者的溫度和壓強再次達到相等狀態，則此時它們的體積比依然等於原來的值。
這意味著，無論混合氣體的溫度和壓強是多少，這一體積比都是恆定的。考慮到氫氣和氧氣以2:1的比例燃燒，這意味著這個2:1的比例與溫度和壓強無關。對於其它任意兩種氣體反應，其體積比都十分接近簡單的整數比。
就這樣，道爾頓的原子理論，在阿伏伽德羅的修正及蓋-呂薩克的努力之下變得更加穩固了。
然而在當時，儘管大多數的化學家都承認整數性的存在，但仍然偶很多人不承認原子論。他們認為，整數性的根源在於化學親和力的本性。
同時物理學家中也有一些強烈的反對者，他們認為原子是一種看不到摸不著的，超越我們一切感知的東西，相信這種東西的存在就是在開科學的倒車，重新走思辨哲學的老路。
半個世紀後，科學家們終於邁出了原子論的最關鍵一步，確定了氣體分子的數量。原子論塵埃落定，至此，關於氣體物理性質的諸多事實、波義爾定律、蓋-呂薩克定律，以及由此衍生出的氣體擴散、粘性、熱傳導等相關定律都能夠從原子論推導出來，而且連熵增原理也通過原子論得以闡明。
六、熱的載體是什麼
1846年，亥姆霍茲在一篇題為《力量的保存》的論文中提出：原子（分子）是熱運動的載體的觀點。1856年，克勞修斯發表論文《論熱的動力》，指出：熱運動是產生壓強的原因。通過計算，克勞修斯得出了一條非常簡單的結論：容器所受的壓強與容器體積的乘積，等於其中飛舞的原子所具有的總動能乘以一個常數2/3。
現在的問題是，如何將熱學的量與力學的量關聯起來。對於熱量與機械能之間的關係已經由焦耳由實驗確定的熱工當量給出了答案，所以我們可以把熱量看做是能量的另外一種形式。然而，對於溫度來說，我們還沒有答案。
我們這裡再回到波義爾定律：“密閉容器中，溫度一定時，氣體的壓強與豐乳容器中的氣體的量成正比。”現在我們從分子的角度看，容器中氣體的量自然與氣體的分子數成正比，因此我們可以將“壓強與氣體的量成正比”改寫為“壓強與氣體分子數量成正比”。
所以我們就可以得到在溫度不變時，分子總動能與分子數的比值是個常數，換句話說，就是溫度一定時，密閉容器內的分子平均動能是一個常數。用數學語言來說就是“分子的平均動能是溫度的函數”。
到此為止，對於熱力學中溫度這個量，我們通過氣體分子的平均動能與之建立的關聯。
結束語
關於熱的本質，本文就寫到這裡了。由於篇幅所限，4千字根本不足以表現出其中的跌宕起伏。但我還是希望能夠通過這篇簡單的介紹，瞭解那段科學發展的歷史，瞭解哪些在科學史上留下的輝煌的名字。如果您能在看到本文結尾的時候，自己總結出，溫度是分子平均動能的函數，那麼我這篇文章的用意也就實現了。
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