6.热是实体吗？
现在我们开始追溯一条起源于热现象领域的新线索。不过，我们不能把科学分成几个独立的、不相关的部分。事实上，我们很快就会看到，这里介绍的新概念是与我们所熟知的、将来还会遇到的那些概念交织在一起的。在一个科学分支中发展起来的思路往往可以用来描述似乎完全不同的事件。在这一过程中，原先的概念往往会被修改，以帮助理解这些概念所源出的以及现在所用于的那些现象。
描述热现象的最基本的概念是温度和热。在科学史上，将这两个概念区分开来经历了漫长的时间。然而，一旦作出这种区分，科学就获得了突飞猛进的发展。这些概念现已众所周知，但我们仍将作出认真考察，并且侧重于两者的区别。
我们的触觉会非常清楚地告诉我们，一个物体是热的，另一个物体是冷的。但这种标准是纯粹定性的，不足以作出定量描述，有时甚至模糊不清。有一个著名的实验可以表明这一点：假定有三个容器，分别装有冷水、温水和热水。如果把一只手浸入冷水，而把另一只手浸入热水，那么我们的感觉是：第一个容器里的水是冷的，第二个容器里的水是热的。如果随后我们把两只手同时浸入温水，那么两只手会得到相互矛盾的感觉。同样道理，爱斯基摩人和某个赤道国家的居民如果于春季在纽约见面，他们对于天气的冷热也会有不同的看法。我们用温度计来解决所有这些问题。原始形式的温度计是伽利略（又是那个熟悉的名字！）设计的。温度计的使用基于一些明显的物理假设。这里我们不妨引用大约一个半世纪以前布莱克（Black）讲义中的几句话来回想一下这些假设，在消除与热和温度这两个概念相关的困难方面，布莱克贡献甚大：
通过使用这种仪器，我们发现，如果取1000种甚至更多种不同的物质，例如金属、石头、盐、木头、羽毛、羊毛、水以及其他各种流体，将其一起放在一个没有火也没有阳光照射的房间里，虽然起初它们的热各有不同，但放入房间之后，热会从较热的物体传到较冷的物体，经过几个小时或者一天，如果把一个温度计依次用于所有这些物体，那么温度计将会精确指示同一度数。
按照今天的名称，文中的“热”应当用“温度”来代替。
一个医生把温度计从病人口中取出来，可能会作这样的推理：“温度计通过其水银柱长度来指示自己的温度。假设水银柱的长度与温度的增加成正比，但温度计和我的病人接触了几分钟，所以病人和温度计有同样的温度。由此推断，这位病人的温度就是温度计记录的那个温度。”医生的行为也许是无意识的，但他无意中已经运用了物理学原理。
但温度计是否包含着与人体同样多的热量呢？当然不是。正如布莱克所指出的，仅仅因为两个物体温度相等就以为它们包含的热量也相等，
这种看法过于仓促了。它将不同物体中的热量与热的一般强度混淆了起来。显然，这是不同的两种事物，在思考热的分布时总是应当予以区分。
为了理解这种区分，我们不妨考察一个很简单的实验。将1磅水放在火焰上加热，使其温度从室温升至沸点，这需要一段时间。若用同样的火焰来煮沸同一容器中的12磅水，则需要更长的时间。在我们看来，这个事实表明，现在还需要另外“某种东西”，我们称之为热。
由以下实验可以得出另一个重要概念——比热。假定一个容器中装有1磅水，另一个容器中装有1磅水银，用同样的方式加热它们。水银变热要比水快得多，这表明把水银的温度提高1度所需的“热”更少。一般来说，要把相同质量的水、水银、铁、铜、木头等不同物质的温度改变1度，比如从40摄氏度升到41摄氏度，所需的“热”量是不同的。我们说，每一种物质都有它自己独特的热容或比热。
一旦有了热的概念，我们就可以更仔细地研究它的本性了。假定有两个物体，一个热，一个冷，或者更确切地说，一个物体的温度比另一个更高。现在使之接触，并且不受任何外在影响。我们知道，它们最终会达到同样的温度。但这是如何发生的呢？从它们开始接触到获得相同的温度，在此期间到底发生了什么？我们的脑海中会浮现出这样一幅画面：热从一个物体“流”向另一个物体，就像水从高位流向低位一样。这幅画面虽然原始，却似乎符合许多事实，遂有这样的类比：
水－热
较高的水位－较高的温度
较低的水位－较低的温度
流动一直要进行到两个水位即两个温度相等时才会停止。通过定量考虑，这个朴素的看法可以变得更有用处。如果把特定质量和温度的水与酒精混合起来，那么只要知道比热就能预言混合物的最后温度。反过来，只要观察到最后的温度，再加上一点代数知识，我们就能求出这两个比热之比。
我们意识到，这里出现的热的概念与其他物理概念有相似之处。在我们看来，热是一种实体（substance），就像力学中的质量一样。它的量可以改变，也可以不变，就像钱一样，可以存在保险箱里，也可以花掉。只要保险箱始终锁着，箱子里钱的总数就会保持不变。同样，一个孤立物体中质量的总量和热的总量也是不变的。理想的保温瓶就类似于这样一个保险箱。此外，一个孤立系统即使发生了化学变化，它的质量也保持不变；同样，即使热从一个物体流向另一个物体，一个孤立系统的热量也是守恒的。即使不是用热来提高物体的温度，而是用它来熔化冰或者把水变成蒸汽，我们仍然可以把热想象为实体。只要把水结成冰，或者把蒸汽液化为水，又可以重新得到热。熔化潜热或汽化潜热这类旧称都表明，这些概念源于把热想象成一种实体。潜热是暂时隐藏着的，就像如果有人知道开锁的方法，就可以把保险箱里的钱拿出来用。
但热肯定不是一种与质量有同样意义的实体。质量可以用天平来测定，那热呢？铁在炽热状态下是否要比在冰冷状态下更重呢？实验表明并非如此。即使热是实体，它也是一种无重量的实体。“热质”通常被称为卡路里，这是一系列无重量的实体中我们最先熟识的一种。以后我们还会追溯这一系列实体的兴衰历史，现在只需注意这一种实体的诞生就够了。
任何物理理论都希望解释范围尽可能广的现象。就它的确使事件变得可以理解而言，它是有道理的。我们已经看到，热质说解释了许多热现象。但我们很快就会意识到，这同样是一条错误的线索。不能把热看成一种实体，哪怕是无重量的实体。只要回想一下标志着文明开端的几个简单实验，我们就能明白这一点。
我们认为实体既不能创造，也不能毁灭。但原始人用摩擦的方法创造出了足够的热来点燃木头。事实上，摩擦生热的例子太多、太熟悉了，这里无须详述。在所有这些例子中都有一些热量被创造出来，这一事实很难用热质说来解释。诚然，支持这个理论的人会发明出各种论证来解释它。其推理可能是这样的：“热质说可以解释表观上热的产生。举一个最简单的例子：拿两块木头相互摩擦，摩擦影响了木头，改变了木头的性质。这种性质改变很可能导致不变的热量产生了比以前更高的温度。毕竟，我们只看到了温度的升高。也许摩擦改变的是木头的比热，而不是总的热量。”
在目前的讨论阶段，同热质说的支持者进行争辩是没有用处的，因为这件事只能通过实验来解决。设想有两块相同的木头，用不同方法使之发生相同的温度改变，比如一种用摩擦，另一种通过与散热器接触。如果两块木头在新的温度下有相同的比热，那么整个热质说就被推翻了。我们有非常简单的方法来测定比热，热质说的命运取决于这些测量的结果。在物理学史上，经常有一些检验能够宣判一个理论的生死，这种检验被称为“判决性实验”。一个实验的判决价值只有通过提问方式才能得到揭示，而且只有一种关于现象的理论才能交由它判决。同一类型的两个物体的比热测定，即分别通过摩擦和传热使之达到相同的温度，就是判决性实验的一个典型例子。大约150年前，伦福德（Rumford）做了这个实验，它给了热质说以致命一击。
让我们看看伦福德本人是怎么说的：
在人们的日常工作和生活中，往往会有机会思索一些最奇妙的自然运作；利用纯粹为技术制造的目的而设计出来的机械，几乎不必花多少精力和钱就可以做非常有趣的哲学实验。
我常常有机会作这种观察。我确信，只要习惯于留心日常生活中发生的事情，就往往会引出有益的怀疑，有助于制定合理的研究与改进方案。这些情况有的像是偶然发生的，有的则是在思索司空见惯的现象时让想象力尽情驰骋而发生的。与之相比，那些专门坐在书房里冥思苦想的哲学家倒没有这么多机会。……
不久前，我去慕尼黑兵工厂监管大炮的钻制。我发现，铜炮在钻制很短时间之后就会获得大量的热，而钻头从炮上钻下来的金属屑则要更热（我用实验发现，它们比沸水还要热得多）。……
在上述机械操作中实际产生出来的热是从哪里来的呢？
是钻头在坚固的金属块中钻出来的金属屑提供的吗？
如果真是这样，那么根据潜热和热质的现代学说，它们的热容不仅要变，而且要变得足够大，才能解释所产生的全部的热。
但这样的变化并没有发生。取相等重量的这种金属屑和用细齿锯从同一块金属上锯下来的金属薄片，把它们在相同温度（沸水的温度）下分别放入等量的冷水（比如温度为华氏59.5度），我发现，放金属屑的水似乎并不比放金属片的水更热或更冷。
最后，我们来看看伦福德的结论：
在对这个主题进行推理时，我们不要忘记考虑那个最引人注目的状况：在这些实验中，由摩擦产生的热的来源似乎明显不可耗尽。
不消说，与外界隔绝的任何物体或物体系统所能无限持续提供的任何东西不可能是物质实体（material substance），而且在我看来，任何能像这些实验中的热一样被激发和传播的东西，除非认为是“运动”，否则我们很难对其形成任何明确的观念。
于是，我们看到旧理论被推翻了，或者更确切地说，我们看到热质说不适用于热流问题。正如伦福德所暗示的，我们需要寻找新的线索。为此，我们暂时离开热的问题，回到力学。