为什么是焦耳证实了能量守恒定律？
早在工业革命之前，就有人开始琢磨能否少用能量，甚至不用能量就能让机器跑起来。从文艺复兴开始，很多人就前赴后继地投入到制造永动机的队伍中，其中包括天才的达·芬奇。
当然，事实证明，所有的永动机发明人只有两种。第一种是有意的骗子，比如1714年，有个德国人声称发明了永动机，最后被揭露出来，原来是里面藏了人在驱动它运行。第二种是无意的骗子，他们因为缺乏知识，自己被骗了，然后又去骗同样缺乏知识的人。大多数痴迷于永动机的民间科学家就属于后者。
在当时，各地科学院的成员要不厌其烦地去验证各地申报的永动机，却发现无一例外全是骗子，于是在1775年，法国科学院正式通过决议，宣布永不接受永动机的专利。随后，欧洲很多国家的学术界都作出了类似的决议。
要知道，当时人们反对永动机，是因为在实践上从来没有人成功过。但是，没想到这反而激发了更多的人去挑战这个无解难题。这些人觉得过去没有成功过，不等于将来不能成功，别人没有做成，不等于我也做不成。因此，要彻底证明造不出永动机，就要从理论上搞清楚动力是怎样产生的，以及能量和动力之间的关系。
真正把能量守恒这件事说得很清楚，并且定量地给出热能和动能之间关系的是英国的科学家焦耳，从他以后，大家对提高能量效率这件事的研究才算是有了一个方向，不至于误入歧途白白做那些没有意义的事。
也就是说，人类第一次搞懂了能量是怎么来的，焦耳告诉大家，能量（和动力）是不可能凭空产生的，它只能从一种形式转换成另一种形式。
我给你打个比方，人们在和蒸汽机车打交道的时候发现，好像煤炭燃烧不仅推动了蒸汽机的活塞运动，也释放了光和热，而且机车的轨道也在前进中变热了。
焦耳就告诉大家，这些各种形式的能量，都不是凭空来的，而是转化来的，这就是能量守恒定律，也称热力学第一定律。不仅如此，焦耳还精准地测出了这些量，通过实验告诉大家，能量是从高到低流动的。这是热力学第二定律。
从此以后，人们终于通过热力学，改变了对世界的看法，原来相互独立的热学、力学和电磁学都可以统一起来了。可以说，这个新的世界观就是焦耳塑造起来的。
焦耳的成功并非偶然，我们这一讲就来破解为什么偏偏是焦耳证实了能量守恒定律。
在焦耳生活的年代，他在人们心目中首先是啤酒商，而不是科学家，也就是说，焦耳起先也只是个“民间科学家”。
焦耳出生在一个英国富有的家庭。在16岁那年，焦耳和他的哥哥在著名科学家道尔顿（原子论的提出者）的门下学习数学，后来道尔顿因为年老多病无力继续授课，便推荐焦耳进入了曼彻斯特大学。毕业后，焦耳开始参与自家啤酒厂的经营，并且经营得很不错。
有趣的是，“民科”焦耳最初也是永动机研究的狂热分子。他对电学非常着迷，经常和哥哥相互电击做实验。他毕业后就在家里搭建了实验室，着迷于永动机的研发，但是搞了多年，毫无成果，最后终于醒悟，走上了研究能量守恒的正路上。
1840—1843年，焦耳对电流转换成热量进行了大量的实验和研究，总结出电学上焦耳定律的公式。这个公式是我们今天电学的基础，焦耳发现它之后兴奋不已。
不过，当焦耳把自己的研究成果投给了英国皇家学会时，皇家学会并没有意识到这是人类历史上最重要的发现之一，而是对这位“乡下业余爱好者”的发现表示怀疑。皇家学会当时拒绝焦耳论文的一个重要原因，是因为焦耳并非他们圈子里的人。我在前面介绍学术圈子特点和重要性时介绍过这一点。
焦耳的过人之处在于，他被皇家学会拒绝后并不气馁，而是继续他的科学研究。
1840年以后，焦耳的研究扩展到机械能和热能的转换。由于机械能（当时也称为功）相对热能的转换比率较低，因此，这项研究成功的关键在于能够精确地测量出细微的温度变化，焦耳声称可以将温度的测量精确到1/200 华氏度，这在当时是无法想象的，因此，伦敦的主流科学家们对此普遍持怀疑态度，于是英国皇家学会再次拒绝了焦耳的论文。
不过，伦敦的主流科学家们忘记了焦耳是啤酒商出身，焦耳能做到这样的测量精度，恰恰跟他啤酒商的身份有关，为什么？我一会儿告诉你。几年之后，焦耳在英国学术界的名气是越来越大，才逐渐开始受到主流学术界的关注。
1845年，焦耳在剑桥大学宣读了他最重要的一篇论文《关于热功当量》，在这次报告中，他介绍了物理学历史上著名的功能转换实验，同时还给出了对热功当量常数的估计。1850年，焦耳发表了一个修正的测量值，已经非常接近今天的精确计算出来的常数值了。
此后，科学界逐渐接受了焦耳的功能转换定律。同年，焦耳当选为英国皇家学会会员，两年后，他又获得了英国、也是当时世界上最高的科学奖——皇家奖章。之后，焦耳得以和英国很多著名的科学家合作，包括大名鼎鼎的威廉·汤姆森（也就是后来的开尔文勋爵），他们共同研究热学，终于，焦耳这个“民间科学家”打入到了科学的内部圈子里了。
焦耳后来获得了许多荣誉，全社会都给予他极高的赞誉。恩格斯曾经这样评价焦耳的成就：“他向我们表明了一切……自然界中的一切运动都可以归结为一种形式向另一种形式不断转化的过程。”
焦耳代表了人类对能量认识的转折。在焦耳之后，脑子里有像永动机那样怪想法的人虽然没有完全消失，但是少了很多，人类从此将精力放到了提高能量转换的效率上了，焦耳给大家划定了一条边界，同时也指明了方向。
为什么是焦耳，而非那些皇家学院的主流科学家，证实了能量守恒定律呢？这里面有四个主要的原因：
首先，我虽然说他是“民间科学家”，只不过是说他的履历并没有和其他科学家一样按部就班地考学做研究，以至于没有混进学术界工作，但是事实上，他可比学界科学家更专业。
判定专业科学家和民间业余科学家的方法，不在于他们所得出的个别的结论，不在于他们工作的地点和学历，而在于他们的工作方法，他的研究方法完全是科学的，这才让他和皇家学会里那些所谓主流的学者有共同交流的基线。
其次，虽然焦耳是个外行，但他从事的是酿造啤酒的行业，这不仅使得他对于温度有很高超的把握程度，而且他手里的测量仪器，远比那些学术科学家们的仪器精准得多。不仅如此，出于税收和记账需要，他对数字的敏感度也更高，因此焦耳对能量特别是热能，才有了更高的敏锐度。
大部分时候，发现问题、提出问题比解决问题更重要。这可以说是时代给焦耳的机会，也是他的特殊经历给他的机会。
再次，焦耳有他人没有的测量温度的设备。在科学史上，先进工具对科学发明是非常重要的。这也是今天世界上各个大学在计算机系统以及人工智能领域，研究比不过大公司研究所的原因－－前者不具备后者的设备条件。
很多人问吴恩达、李飞飞等人为什么学术休假时要去Google等公司工作，那是因为即便是斯坦福大学，今天的计算机设备条件和数据条件也远不如Google这样的公司。其实，这两个人只是因为华裔的身份在中国备受关注，在学术界还只是小字辈。
在计算机领域真正的泰斗是帕特森（David Patterson，伯克利大学教授）和亨尼斯（John Hennessy）。他们是今天全世界计算机系统结构和处理器设计最权威的专家，美国大学计算机原理和计算机系统结构这两门课的教科书也是他们写的，也是所有手机芯片ARM处理器的理论提出者，后者还担任过斯坦福大学的校长。即便是这样的人，他们今天也都到了Google公司，原因就是为了获得更好的科研的条件。
今天的科研，除了数学之外，其实非常烧钱，光靠脑瓜子聪明已经很难做出成绩了。大家根据这一点，其实可以判断媒体上哪些关于科技的报道是真实的，哪些只是瞎忽悠了。
最后，也是很重要的，就是焦耳做研究完全没有功利心，他不靠科研拿工资养活自己，他的科研动机很纯粹。今天，很多学者搞研究的目的都是为了多拿科研经费，动机并没有那么纯粹。
关于焦耳的工作，我还想再强调两点，因为这对你个人成长很重要。
其一，圈子和环境真的很重要。在他被皇家学会接纳之后，他的合作者水平都很高，这让他后半生做出了很多高水平的研究成就。我们在过去两年的课程里不断强调好大学、好单位、高水平圈子以及优秀朋友的重要性，就是这个道理。
其二，焦耳的成功在某种意义上是时代使然，能看到时代的需求，取得的成就就会被时代所放大。在他那个年代，能量这件事变得特别重要，因此备受整个学术界的关注。事实上，1842年荷兰科学家迈尔也提出能量之间只能相互转化的理论，但是因为他没有焦耳的条件，无法证实这一点。我要借此说明的是：当时证实能量守恒这件事备受瞩目，迫在眉睫，是时代造就了焦耳。
能量守恒定律证明了能量转换效率大于一的永动机是不存在的。在焦耳之后，发明家的注意力都集中在提高能量转换效率上了。这就是理论的意义。（吴军·科技史纲60讲）
