萬萬沒想到，能量守恆定律來自一位醫生和一位啤酒廠老闆

哪些新事物的出現，引發了看似毫無關聯的領域的變革？

傅渥成，統計物理 / 複雜系統 / 生物物理

「一個新事物的誕生影響了毫不相干的領域的發展」看起來很美好，可真相其實是：我們無法預言到底新生的事物到底會在什麼領域產生真正的影響，尤其是對早期參與新事物發明發現的人來說。還有更有意思的例子：愛迪生曾經以為留聲機「正確的打開方式」是錄下聲音，然後通過郵局將聲音寄給朋友，從而實現通信；而貝爾發明電話時，他曾經以為這會改變我們聽音樂會的方式。事實上，兩個人恰好搞反了他們發明的重要意義。一件新生事物的接受，除了發明人的自己的想法，也受到很多其他歷史因素的影響。

一個有趣的例子是關於電的。在發現生物電的初期，許多科學家，例如義大利科學家伽伐尼（Luigi Aloisio Galvani）在實驗中很偶然地用一根帶電荷的金屬解剖刀接觸了死去的青蛙的坐骨神經，這時，神奇的事情發生了，他觀察到青蛙彷彿沒有死，仍然像活著一樣踢了一下。從這個實驗中，伽伐尼成為第一個認識到電與生物的運動之間聯繫的人，此後有越來越多人、在越來越多的動物（或者動物的屍體）上開始重複他的這一發現，一時成為風尚。當時的人們開始覺得，「電」可能成為聯繫生死的一種橋樑。同時期的瑪麗·雪萊（Mary Shelley）受到伽伐尼實驗的啟發，寫下了《弗蘭肯斯坦》，仔細查看《弗蘭肯斯坦》的故事設定，就可以感受到它與伽伐尼實驗的聯繫：弗蘭肯斯坦是一個科學怪人，他將許多不同人體的器官和組織拼界在一起，組成一個人體，並利用雷電使這個人體擁有了生命。瑪麗·雪萊及其同一時期的人們都相信或許我們距離「死而復生」或者讓癱瘓者的四肢恢復運動等已經近在咫尺——然而現在我們知道，這些看似很有前途的嘗試都失敗了。而在這些失敗之外，有的嘗試卻最終成功了：瑪麗·雪萊吸取最新的科研成果，將其創作為小說，這反而是一個有趣的創新。我們現在把《弗蘭肯斯坦》看成是科幻小說的起源。

更有趣的例子其實是能量守恆定律的發現。永動機的設計者們沒有人發現能量守恆定律，反而發明了很多有用的機械，這也算是「影響了毫不相干的領域的發展」。而能量守恆定律的提出完全是由於許多不同領域的科學家獨立的一些發現，最終建立起來的。在能量守恆定律建立的過程中，一位醫生和一位啤酒廠的老闆起到了重要的作用：

邁爾（Julius Robert Mayer）是一位德國醫生，他在 1840 年前後開始思考與能量守恆的有關問題，並最終取得了出色的結果。邁爾曾經是一位隨船醫生，他開始思考能量守恆的有關問題是在去爪哇的航行中。在當時，「放血療法」依然是中世紀以來的重要的臨床手段，醫生邁爾的重要工作之一就是對船員們進行放血。在歷史上，醫生、僧侶和理髮師都曾經從事過放血的工作，但這樣的工作對於外行人來說依然非常危險。最可能出現的問題就是錯切了動脈血管，因為心臟正在源源不斷地將血液泵向動脈，一旦切到動脈，這可能導致失血過多，嚴重的還可能導致死亡。邁爾是一位醫生，所以他很顯然知道這個道理，也正因為如此，當他在熱帶給水手放血時，他狠狠地嚇了一跳——他看到流出了鮮紅的血液，這看起來很想說含氧量較高的動脈血，難道是切到了動脈？隨後他發現自己沒有弄錯，這的確就是靜脈血。他隨後開始認真思考起這個問題來，因為邁爾了解過拉瓦錫的燃燒理論，知道物質在氧氣中燃燒的放熱與飲食中所獲取的能量相等，因此他找到了一個解釋：之所以當船航行到熱帶時水手們的血液比較紅，是因為在熱帶時，人體的體溫維持變得非常不再困難，因此水手們不需要消耗那麼多的氧。想到這一點，還只是科學發現道路上的第一環。接下來，邁爾表現出了更大的智慧。邁爾首先看到的是熱和（生命的）運動的等價。他認為馬拉車時車與地面摩擦產生的熱量，以及車輪旋轉時車軸因摩擦產生的熱量，都是由馬的運動及其作功產生的，於是提出了能量守恆定律最早的雛形。

焦耳（James Joule）在大學畢業之後繼承了家裡的啤酒廠，他在啤酒的釀造和啤酒廠的經營方面都曾經非常活躍。焦耳的思考也是從這開始的。作為一個家裡有啤酒廠的男人，焦耳考慮的是用新發明的電動機來替換他家裡啤酒廠的蒸汽機。他觀察到了電動機和各種電路中的發熱現象，他想到這和蒸汽機運轉中的摩擦現象一樣。而談到這種「替換」的問題，作為科學家，當然不會在意各種成本，而如果脫離了成本談所謂「效率」顯然在經營上陷入失敗。焦耳在思考類似的問題時顯然避免了這種錯誤，因為他還有經濟學的視角——到底是利用怎樣的能源可以幫助節省開支？在思考這樣的問題時，他開始選用了統一的標準來對各種不同的能源進行比較。焦耳發現蒸汽機中燃燒一磅煤跟一種早期的原電池中消耗一磅的鋅放出的熱量是完全不同的，前者可以放出後者五倍的熱——從這個意義上來看，蒸汽機似乎要比電動機更經濟。為了更準確地度量這種「經濟」，就不能僅僅只對「放熱」進行簡單的估計，而是應該對不同類型的能源在某種統一的「經濟責任」（economical duty）下進行比較。這種責任（duty）就像他在經營啤酒廠時，根據收入按照統一的標準所繳納的稅務一樣。這些機器的的職責就是去「運轉」，焦耳把這種「經濟責任」定義為將 1 磅的重量舉高 1 英尺的能力，我們現在很明顯能看出來，這就是在重力場做功的一個具體的實例，這也是我們今天用「焦耳」作為「功」的單位的原因。更有意思的是，之所以焦耳可以建立起能量守恆定律的定量關係，還因為他在釀酒技術方面的成熟，好的釀酒師總能有辦法讓反應器的溫度控制在非常精確的範圍內，焦耳在他的年代宣稱自己可以把溫度測量的誤差精確到難以置信的程度（3 mK），而如果要驗證像摩擦生熱這樣的過程中的能量守恆，對溫度的精確測量是必不可少的。隨著他不斷提高實驗的精度，他最終測得「熱」和「功」之間的轉換係數對水而言是，772.692 英尺·磅（力）/ 英制熱單位，這個值換算為國際單位制與卡路里之間的換算關係，即為 4.159 J/cal，這個數值實在是令人驚嘆的精確。

除此以外，還可以舉出很多很多例子，例如：

鍊金術——定量實驗的方法——化學、醫藥、礦物學……

百科全書——法國大革命

進化論——高爾頓（生物統計、優生學）——希特勒

核武器——冷戰——博弈論——現代的經濟學

檢測天線的噪音性能，消除通信干擾信號——宇宙微波背景輻射——暴脹宇宙

當然，還有一些比較間接的例子，例如《我們如何走到今天：重塑世界的 6 項創新》中提到的一些奇特的脈絡，例如：

印刷術——書籍傳播——近視等問題被發現——鏡片工藝——顯微鏡和望遠鏡

收音機——爵士樂的流行——非洲裔音樂家地位的提高——民權運動

超聲波——中國新生嬰兒的性別比例

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