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发明温度
测量与科学进步
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作者：
张夏硕（Hasok Chang/장하석），世界知名的科学哲学家与科学史学家，主要研究十七世纪到二十世纪的物理学和化学的历史与哲学、一般科学哲学（科学实在论、多元主义、科学进步、科学理解等）、科学实践的哲学和实用主义哲学。张夏硕在加州理工学院获得理论物理学和哲学学士，随后在南希·卡特赖特的指导下于斯坦福大学获得哲学博士，此后曾任职于哈佛大学物理系、伦敦大学学院科技研究系，现任剑桥大学科学史与科学哲学系系主任和汉斯·劳辛讲席教授。张夏硕的其他代表著作包括《水是H2O吗？：证据、实在论和多元主义》（Is Water H2O?: Evidence, Realism and Pluralism）和《实在论者的实在论：一种新的实用主义科学哲学》（Realism for Realistic People: A New Pragmatist Philosophy of Science）。
译者：
温世豪，剑桥大学现代和中世纪语言及语言学硕士，剑桥大学科学史与科学哲学硕士在读。研究兴趣主要包括美学与艺术哲学（电影哲学、音乐哲学、一般美学、进化论美学、实证美学）、一般科学哲学、科学史、知觉哲学、情感哲学、认知科学哲学、精神病学哲学、生物学哲学、元伦理学、价值理论、实用主义哲学、社会哲学、行动哲学、道德心理学和社会与政治认识论。
校对：
张清源，北京大学凝聚态物理学博士在读。研究领域主要是是凝聚态物理中的第一性原理计算方法及其与深度学习的结合。对发展经济学和政治哲学议题也有所涉猎。曾在原神、崩坏星穹铁道、绝区零的卡池中进行了数千次蒙特卡洛模拟，经常在大保底才能采样到稀有事件。
引言
Introduction
本书旨在展示我所说的“补充科学”，即通过历史和哲学研究为科学知识做出贡献。补充科学提出的科学问题被排除在当前的专业科学之外。它首先要重新审视显而易见的事物，询问我们为什么要接受已经成为教育常识的科学的基本真理。由于在专业科学中，许多事情都受到保护，不受质疑和批评，因此，其所表现出来的有效性也不可避免地伴随着一定程度的教条主义和关注点的狭隘性，而这实际上会导致知识的丧失。科学史与科学哲学的“补充”模式可以改善这种状况，我希望以下章节将具体说明这一点。
今天，即使是对科学最严厉的批评者，实际上也认为许多科学知识是理所当然的。我们轻易相信的许多科学成果实际上都是非同寻常的主张。花点时间思考一下，对于500年前的敏锐而智慧的自然观察者来说，以下命题是多么不可思议：地球非常古老，距今已有40多亿年的历史；地球存在于近乎真空的环境中，围绕着距离地球约1.5亿公里的太阳公转；太阳中的大量能量是由核聚变产生的，与氢弹爆炸的过程相同；所有物质都是由看不见的分子和原子构成的，而分子和原子又是由基本粒子构成的，所有这些粒子都太小了，根本无法直接看到或感觉到；在生物的每个细胞中都有叫做DNA的超复杂分子，它在很大程度上决定了生物体的形状和功能；等等。今天，大多数接受过“西方”文明教育的人都会毫不犹豫地同意这些命题，并自信地将其传授给自己的孩子，而当一些无知的人质疑这些真理时，他们则会变得义愤填膺。然而，如果要他们说出为什么相信这些科学常识，大多数人都无法给出任何令人信服的论据。甚至可以说，越是基本和坚定的信念，我们在试图证明其合理性时就越是感到茫然。这种相关性表明，不容置疑的信念代替了真正的理解。
这种情况在我们对热的科学知识中最为突出，这也是本研究将其作为一个适当主题的原因。我不想重温关于热的形而上学本质的争论，因为这些争论对于科学史学家来说是众所周知的，相反，我将研究一个领域中的一些基本难题，这个领域通常被认为问题要少得多，但同时又是所有热的实证研究的基础。这个研究领域就是测温学（thermometry），即温度的测量。我们怎样才能知道我们的温度计告诉我们的温度是正确的，尤其是当它们互相不一致的时候？我们如何测试温度计中的液体是否会随着温度的升高而有规律地膨胀，而不对温度计本身提供的温度读数产生循环依赖？没有温度计的人是如何知道水沸腾或冰融化时的温度总是相同的，从而将这些现象用作校准温度计的“固定点”？在所有已知温度计都出现故障的极端冷热环境中，如何建立和验证新的温度标准？是否有任何可靠的理论来支持温度测量的实践？如果有的话，在没有已经成熟的测温法的情况下，如何通过经验来检验这些理论？
这些问题构成了本书前四章的主题，本书将从历史和哲学两个方面对这些问题进行详细论述。我将以十八世纪和十九世纪的发展为中心，当时的科学家们建立了今天在日常生活、基础实验科学和标准技术应用中熟悉的测温形式。因此，我将自始至终讨论相当简单的仪器，但有关这些简单仪器的简单认识论问题很快就会把我们引向一些极其复杂的问题。我将展示过去一大批杰出的科学家是如何解决这些问题的，并批判性地研究他们提出的解决方案。
我的目的是要说明，许多我们认为理所当然的简单知识其实都是经过大量的创新思维、艰苦的实验、大胆的猜想和严肃的争论才取得的惊人成就，事实上，这些争论可能从未得到过令人满意的解决。我将指出隐藏在非常基本的成果背后的深刻的哲学问题和严峻的技术挑战。我将重现那些创造和讨论这些成果的伟大思想家们的辛勤劳动。我将试图表达我对这些成果的谦卑的敬意，同时扫除对这些成果的盲目信仰，这些信仰仅仅是学校课堂和媒体灌输的结果。
试图强迫人们接受科学权威的做法既不可取，也不再有效。相反，可以邀请所有受过教育的公众参与科学，以体验科学探究的真正本质和价值。这并不意味着听专业科学家居高临下地讲述他们如何发现了奇妙的东西，而你应该相信这些东西，因为你很难真正深入和详细地理解其中的原因。做科学应该意味着提出自己的问题，进行自己的调查，并根据自己的理由得出自己的结论。当然，如果不首先接受多年的专业培训，就不可能推进现代科学的“尖端”或“前沿”。然而，尖端并不是科学的全部，也不一定是科学中最有价值的部分。已经回答过的问题仍然值得再问一遍，这样你就可以理解自己如何得出标准答案，并有可能发现新的答案或者找回被遗忘的有价值的答案。
在某种程度上，我是在呼吁一种古老的科学风格的复兴，即十八和十九世纪欧洲“绅士”们怀着严肃和愉悦的态度所实践的那种“自然哲学”。但我们这个时代的情况确实不同。令人欣慰的是，今天有更多的妇女和男子有能力从事对她们当下的生存并不严格必需的活动。另一方面，在过去的两个世纪里，科学变得如此先进、专业化和专门化，以至于业余爱好者与专业人士在平等的基础上进行交流，并为专业知识的进步做出直接贡献，已经是一件不太可能的事情了。
在这种现代情况下，为非专业人士服务、由非专业人员进行的科学应该是历史性的和哲学性的。正如我在第六章中详细解释的那样，最好的做法是“补充科学”（或者科学史与科学哲学的互补模式）。前四章中的研究是作为例证提出的。它们是在进行补充科学的其他研究时可以遵循的范例。我希望它们能让你相信，补充科学可以丰富我们对自然的知识。书中呈现的大部分科学资料都是历史资料，因此我并不会说自己创造了多少严格意义上的新知识。不过，我相信，恢复被丢弃或遗忘的知识确实是一种知识创造。了解历史情况也会让我们自由地同意或不同意过去大师们得出的最佳判断，而这些判断构成了我们现代共识的基础。
前四章中的每一章都选取了一个与温度有关的科学知识，而这些知识现在已被认为是理所当然的。然而，仔细研究后会发现一个深层次的谜团，即乍看起来如此简单的知识，实际上是不可能获得和确保的。通过对历史的回顾，我们可以发现曾经发生过的一场真实的科学争论，我们对这场争论的变迁进行了详细的追踪。每个事件的结论都是对过去的科学家们所提出和辩论的答案的说服力的判断，这是我自己独立思考后得出的判断——有时与现代科学的结论一致，有时则不完全一致。
每一章都由两部分组成。叙述部分阐述了哲学谜题，并以问题为中心叙述了历史上试图解决这一谜题的尝试。分析部分包含对故事中某些科学、历史和哲学方面的深入分析，这些分析可能会分散第一部分中主要叙述的脉络。每章的分析部分往往比叙述部分包含更多的哲学分析和论证，但我必须强调，这种划分并不意味着历史和哲学的分离。并不是说哲学思想和论证不能体现在叙述中，也不是说历史总是应该以叙述的形式呈现。
本书的最后部分更为抽象，也更注重方法论。第五章以更加系统和明确的方式介绍了前四章的具体研究中蕴含的一系列抽象认识论观点。在这一讨论中，我将测量视为基础主义的问题暴露无遗的地方。我提出的替代方案是一种以“认识论迭代”方法为支撑的融贯论。在认识论迭代中，我们首先采用现有的知识体系，并对其抱有一定的尊重，但并不坚决保证它是正确的。在最初肯定的体系基础上，我们展开探究，从而完善甚至修正原有的体系。正是这种自我修正的进步（回过头来）为科学的成功发展历程提供了辩护，而不是以某种不容置疑的基础为依据的任何保证。最后，在第六章中，我以一份宣言作为结尾，在其中我用明确的方法论术语阐明了我试图通过本书中的研究来实现的目标。关于补充科学的概念，我现在只是简单地勾勒了一下，在本书中将会有更全面、更系统的阐述。
由于本书包含多种元素，因此它可以被有选择地阅读。可以通过阅读前四章的叙述部分来汇集主线。在这种情况下，可以根据自己的特定兴趣来抽取这些章节中分析部分的不同部分。如果你对历史细节缺乏耐心，那么可以只读第一至第四章的分析部分（跳过明显的历史部分），然后再读第五章。如果你实在太忙，而且喜欢从更抽象的角度来理解哲学，那么第五章可以单独阅读。不过，除非你至少看过前面几章中的一些细节，否则第五章的论证就不会那么生动和有说服力。第六章主要面向科学史与科学哲学方面的专业学者和高年级学生。不过，对于那些对前五章中的内容感到特别兴奋、困惑或不解的人来说，阅读第六章，了解我自己对我想要做什么的解释，会很有帮助。一般来说，这几章可以单独阅读，也可以按照任何顺序阅读。不过，这些章节大致是按照时间顺序排列的，而且其中包含的历史和哲学讨论在真正的意义上是不断累积的，因此，如果你有时间并有意阅读所有章节，最好按照它们被呈现的顺序阅读。
正如本书被列入《牛津科学哲学研究》（Oxford Studies in the Philosophy of Science）丛书所表明的那样，本书旨在成为一部哲学著作。然而，我所呈现的同时也是哲学、科学和历史著作。我知道，它们可能会跨越某些界限，冒犯某些学科的敏感性。如果我对专家们所熟知的各种基本观点进行解释，这并不是居高临下或无知的表现，而只是考虑到了读者的多样性。我担心，今天的专业哲学有可能成为一门萎靡不振的学科，被大量学生所回避，而且似乎与其他人类问题脱节。本书谦虚地提供了一个范例，说明哲学如何能够更有效地参与那些被认为更有实际意义的工作，比如实证科学研究。我希望本书能提醒人们，对具体科学实践的批判性研究可以产生有趣而实用的哲学见解。
本书的读者群与我本人的职业初衷最为接近，那就是仍在努力将科学史与科学哲学作为一门综合学科加以实践和推广的一小部分学者和学生。更广泛地说，本书中关于认识论和科学方法论的讨论会引起科学哲学家的兴趣，或许也会引起一些一般哲学家的兴趣。对十八和十九世纪物理学和化学的讨论将引起科学史家的兴趣。前四章中的许多史料在二手文献中找不到，本书旨在为科学史做出原创性贡献。我也希望，关于我们如何相信我们所相信的，或者我们如何发现我们所知道的故事，会引起许多专业科学家、理科学生和非专业科学爱好者的兴趣。不过，归根结底，职业标签与我的主要愿望并不那么相关。如果你能从我的文字中窥见任何促使我写下这些文字的魅力，那么这本书就是为你准备的。
Keeping the Fixed Points Fixed
叙述：当水拒绝在沸点沸腾时该怎么办
水的热量超过沸点的程度受到多种情况的影响。
亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）
《沸腾理论》（Theory of Boiling, 约1780）
对热的科学研究始于温度计的发明。这是一句老生常谈的陈词滥调，但它包含的真理足以作为我们探究的起点。温度计的构建必须从建立“固定点”开始。今天，我们往往忽视了早期科学家在建立熟悉的温度测量固定点——例如水的沸点和冰点——时所面临的巨大挑战。本章试图重新认识那些古老的挑战，尽管这些挑战被遗忘了，但它们的真实性却丝毫不减。本章的叙述从历史角度讲述了在确定水的沸点这一特定的固定点时所遇到和克服的惊人困难。本章后半部分的分析涉及更广泛的哲学和历史问题，并进行了深入的讨论，这些讨论可能会打断叙述的流畅性。
血液、黄油和地窖：固定点的必要性和稀缺性
伽利略和他的同时代人在1600年左右就已经开始使用温度计。到了十七世纪末，温度计已经非常流行，但仍然以不够标准化而闻名。1693年，因彗星而闻名的天文学家、当时的伦敦皇家学会秘书埃德蒙·哈雷（Edmond Halley, 1656-1742）对现有的温度计的抱怨就是一个证据：
我无法得知它们中的任何一个……曾经被制定或调整过，因此我也无法断定，这些度数或划分……实际上意味着什么。它们也没有以其他方式获得凭证，而是按照每个特定工人遵守的标准进行制作的，彼此之间没有任何一致或参考。（Halley 1693, 655）
最根本的是，不存在标准的“固定点”，即可以用作温度测量基准的现象——因为已知它们总是在相同的温度下发生。如果没有可靠的固定点，就不可能创建任何有意义的温标，如果没有所有温度计制造商使用的共享固定点，则几乎不可能创建标准化温标。
哈雷本人建议使用酒精的沸点作为固定点，因为他看到酒精在开始沸腾时温度计总是达到相同的水平。但他也很快补充了一条注意事项：“但必须注意的是，用于此目的的酒精必须经过高度精馏或分馏，否则酒精的好坏程度会影响沸腾的温度，从而破坏了设计的精确性”（1693, 654）。至于较低的固定点，他否定了罗伯特·胡克（Robert Hooke）和罗伯特·波义耳（Robert Boyle）使用水和茴香子油的冰点的做法，他认为这两者“都不是那么公正地确定的，而是具有相当大的自由度。”总的来说，哈雷认为“热和冷的尺度的起点不应该是任何东西的冰点”，而是建议使用地下深处的温度，例如“巴黎天文台下的洞穴”，因为“好奇的马里奥特先生的某些实验”已经证明它在所有季节都是恒温的（656）。[1]
[1] 他没有明确指出胡克和波义耳的名字。请参阅Birch [1756-57] 1968, 1:364–365，了解胡克在1663年向皇家学会提出的使用水的凝固点的建议；请参阅Barnett 1956, 290，了解波义耳对茴香油的使用。
哈雷的贡献清楚地揭示了一个困扰温度测量很长时间的基本问题：为了确保温度计的稳定性和实用性，我们必须非常确定，假定的固定点实际上是非常精确地固定的，而不是“有相当大的自由度”。这个问题有两个部分，一个是认识论问题，另一个是物质性问题。认识论问题是如何判断所提出的固定点实际上是固定的：在没有已经得到信任的温度计的情况下如何做出这种判断？这个问题在本章关于固定点历史的叙事中并不突出。不过，在本章的分析部分，它将作为一个优先事项进行讨论（尤其见“标准的验证”一节）。假设我们知道如何判断固定点，我们就可以面对寻找或创造一些实际的固定点的物质性问题。
在整个十七世纪和十八世纪早期，人们提出了大量的固定点，但对于哪些固定点是最好的，并没有明确的共识。表1.1 总结了到十八世纪末为止，最受尊敬的科学家们所使用的一些固定点。在我们现代人看来，最有趣的温标之一是约阿希姆·达伦斯（Joachim Dalence, 1640-1707?）提出的，它使用黄油的熔点作为其上限固定点。但即便如此，这也比之前的提议有所改进，比如托斯卡纳大公费迪南多二世（Grand Duke Ferdinand II）和他的兄弟利奥波德·美第奇（Leopold Medici）领导的佛罗伦萨实验哲学家团体——西芒托学院（Accademia del Cimento）的温度计所使用的“最炎热的夏季”。就连伟大的艾萨克·牛顿（Isaac Newton, 1642-1727）也似乎做出了一个不明智的选择，他在1701年的温标中使用了经常被称为“血温”的人体温度作为一个固定点。[2]
[2] 参阅Newton [1701] 1935, 125, 127。进一步的讨论可参阅Bolton 1900, 58和Middleton 1966, 57。正如我将在本章分析部分的“标准的验证”中进一步讨论那样，血温实际上可能并不是一个相对糟糕的选择。在我看来，Middleton过于轻率地斥责牛顿在测温学方面的工作“几乎配不上他”。根据现代估计，健康人体的体温相差约1摄氏度。
表1.1 各种科学家使用的固定点的总结
到十八世纪中叶，由于瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius, 1701-1744）等人的工作，人们开始就使用水的沸腾和冻结作为温度测量的首选固定点达成共识。[3] 然而，共识既不完整，也不是毫无问题。1772年，让-安德烈·德吕克（Jean-Andre De Luc, 1727-1817）发表了以下警告（他的工作将在后文仔细讨论）：
今天，人们相信他们已经牢牢掌握了这些 [固定] 点，而很少关注即使是最著名的人在这件事上也有的不确定性，也很少关注这种不确定性所导致的那种无政府状态，而我们至今仍未摆脱这种状态。（De Luc 1772, 1: 331, §427）[4]
为了理解德吕克所说的“无政府状态”，看看1771年《大英百科全书》（Encyclopaedia Britannica）第一版中给出的关于上限固定点的建议可能就足够了：“水的温度足以让浮在上面的蜡开始凝结”（3: 487）。[5] 或者还有更奇特的例子，苏格兰皇家天文学家查尔斯·皮亚齐·史密斯（Charles Piazzi Smith, 1819-1900）提出将吉萨大金字塔中心的国王室的平均温度作为上限固定点。[6]
[3] 关于摄尔修斯的贡献，请参阅Beckman 1998。根据十八世纪末出现的共识，这两个点被一起用于定义一个尺度。然而，应该注意的是，只使用一个固定点同样是合理的，正如Boyer 1942所强调的那样。在单点法中，温度是通过记录测温流体的体积相对于其在一个固定点的体积来测量的。
[4] 在引用这部作品时，我将给出我所使用的双卷本（四开本）的段落编号和页码，因为还有一个页码不同的四卷本（八开本）。
[5] Newton（[1701] 1935, 125）将他的温度标尺上的20又2/11度指定为此点。直到1797年的第三版《大英百科全书》（Encyclopaedia Britannica）才抓住了这一主流趋势，并指出：“现在普遍选择的固定点……是水的沸点和冰点。”参阅“温度计”词条, 《大英百科全书》, 第三版, 18: 492-500, pp. 494-495。
[6] 有关皮亚齐·史密斯的信息来自爱丁堡的皇家苏格兰博物馆展览。
令人费解的沸点变化
1776年，伦敦皇家学会任命了一个杰出的七人委员会，就温度计的固定点问题提出明确的建议。[7] 委员会主席是亨利·卡文迪什（Henry Cavendish, 1731-1810），这位隐居的贵族和虔诚的科学家曾被誉为“富人中的智者，智者中的富人”。[8] 英国皇家学会委员会确实理所当然地认为应该使用水的冰点和沸点，但对这两个点的真正固定性，尤其是沸点，存在着广泛的怀疑。委员会发表的报告首先指出，现有的温度计，即使是由“最好的能手”制作的温度计，在沸点的规格上也各不相同。差异很容易达到2-3华氏度。造成差异的两个原因已被明确指出并成功解决。[9] 首先，当时人们普遍知道沸点会随大气压力的变化而变化，[10] 委员会规定了29.8英寸（约757毫米）水银柱的标准气压，沸点应在此压力下测定。根据德吕克以前的工作，委员会还给出了一个根据压力调整沸点的公式，以备气压无法达到标准压力时使用。造成差异的第二个主要原因是，温度计杆中的水银与温度计球中的水银温度不一定相同。解决这个问题的方法也很简单，就是将整个水银柱浸没在沸水中（或沸水冒出的蒸汽中）。就这样，皇家学会委员会确定了两个主要问题，并圆满地解决了这两个问题。
[7] 该委员会于1776年12月12日的会议上任命，成员包括奥伯特、卡文迪什、赫伯登、霍斯利、德吕克、马斯基林和斯米顿。请参阅伦敦皇家学会档案馆中的《皇家学会期刊》（Journal Book of the Royal Society）第28卷（1774-1777）, 533-534。
[8] 此描述由让-巴蒂斯特·毕奥（Jean-Baptiste Biot）撰写，引用自Jungnickel & McCormmach 1999, 1。卡文迪什是第二代德文郡公爵威廉·卡文迪什（William Cavendish）和雷切尔·罗素（Rachel Russell）的孙子；他的母亲是肯特公爵亨利·德·格雷（Henry de Grey）的女儿安妮·德·格雷（Anne de Grey）。请参阅Jungnickel & McCormmach 1999, 736–737了解卡文迪什和格雷的家谱。
[9] 有关更多详细信息，请参阅Cavendish et al. 1777，尤其是816-818, 853-855。
[10] 罗伯特·波义耳早在十七世纪就注意到了这一点，丹尼尔·加布里尔·华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）也非常了解其中的定量关系，他制作了一个气压计，可以根据水的沸点推断出气压。参阅Barnett 1956, 298。
然而，委员会的报告还提到了其他更难处理的问题。伦敦科学博物馆中保存的十七世纪五十年代的温度计就象征性地反映了这样一个问题。老乔治·亚当斯（George Adams the Elder, ?-1773）的这把刻度尺（如图1.1所示）有两个沸点：在204华氏度时“水开始沸腾”，在212华氏度时“水剧烈沸腾”。换句话说，亚当斯认识到一个宽达8华氏度的温度区间，其中发生了不同的沸腾阶段。这并不是一个无能工匠的异常怪癖。亚当斯是英国首屈一指的仪器制造商之一，从1756年乔治三世还是威尔士亲王时起，他就是官方的“数学仪器制造商”。[11] 卡文迪什本人也曾讨论过“快”沸腾和“慢”沸腾之间是否存在温度差的问题（[1766] 1921, 351）。不同的“沸腾程度”有不同的温度，这一观念可以追溯到牛顿（[1701] 1935, 125），他记录了水在他的刻度为33度时开始沸腾，并且在34度至34.5度时剧烈沸腾，表明温度差异范围约为5-8华氏度。德吕克也做出了类似的观察，他是英国皇家学会委员会的重要成员，或许也是十八世纪末欧洲温度测定领域的主要权威。
[11] 亚当斯的刻度尺的描述来自Chaldecott 1955, 7 (no. 20)。有关他的地位和工作的信息，请参阅Morton & Wess 1993, 470及全书各处。
图1.1 乔治·亚当斯的温度计，显示两个沸点
（库存编号1927-1745)。科学博物馆/科学与社会图片库。
由于让-安德烈·德吕克（图1.2）即使对今天的科学史学家来说也是一个鲜为人知的人物，因此有必要对他的生活和工作进行简要的叙述。[12] 在他那个时代，德吕克作为一位地质学家、气象学家和物理学家享有崇高的声誉。他的早期教育来自于他的父亲弗朗索瓦·德吕克（François De Luc），他是一位钟表匠、激进的政治家和虔诚的宗教小册子的作者，曾被让-雅克·卢梭（Jean-Jacques Rousseau）描述为“一位优秀的朋友，最诚实且最无聊的人”（Tunbridge 1971, 15）。小德吕克对科学、商业、政治和宗教也同样有着积极的兴趣。他的成就包括对地质发现提出了一些非常流行的自然神学解释，对拉瓦锡新化学的激烈争论，以及假设空气转化为水的有争议的雨的理论。[13] 作为早期的“科学登山家”之一，德吕克与弟弟纪尧姆-安托万（Guillaume-Antoine）一起开创性地深入阿尔卑斯山，激发并整合了他对自然史、地质学和气象学的科学兴趣。他对利用大气压测量山峰高度的方法进行了决定性的改进，有人认为这一壮举足以使他成为全欧洲最重要的物理学家之一。[14] 更普遍的是，他因发明和改进气象仪器以及利用这些仪器进行敏锐的观测而闻名。尽管他乐于进行理论化，但他的经验主义倾向明显体现在以下言论中：“在完善 [测量仪器] 方面所取得的进展，是通向自然知识的最有效的步骤；因为正是它们让我们对......迅速蔓延到形而上学的系统的行话产生了厌恶”（De Luc 1779, 69）。1772年，德吕克在日内瓦的生意倒闭，他从此退出商业生活，全身心投入到科学工作中。此后不久，他定居英国，并成为皇家学会会员（最初是由卡文迪什邀请加入皇家学会的），并被授予夏洛特王后的“侍读官”的崇高地位。德吕克成为乔治三世宫廷的重要成员，并一直居住在温莎直至去世，但他经常旅行并与科学界保持着紧密的联系，特别是与伯明翰月球学会和许多德国学者（尤其是在哥廷根）的联系。
[12] 关于德吕克生平和作品最方便的简要资料来源是《国家传记词典》（Dictionary of National Biography）, 5:778–779。有关更多详细信息，请参阅De Montet 1877-78, 2:79–82和Tunbridge 1971。《科学传记词典》（Dictionary of Scientific Biography）, 4:27–29中的条目也提供了丰富的信息，尽管作者自己对德吕克似乎毫无理由的声誉感到惊讶。同样，W. E. K. Middleton的作品也包含大量有关德吕克的信息，但却对他存在强烈的偏见。
[13] 有关德吕克的雨的理论（也是他对拉瓦锡新化学的反对的基石）的争议，请参阅Middleton 1964a和Middleton 1965。
[14] 对于这一评价，请参阅Journal des Sçavans, 1773, 478。
图1.2 让-安德烈·德吕克，日内瓦，
公共图书馆和大学图书馆，图像收藏。
德吕克的第一部重要科学著作是1772年出版的两卷本《大气变化的调查》（Inquiries on the Modifications of the Atmosphere），因其对气压测量高度的讨论而备受期待。经过十年的推迟，这本书终于出版了，它还详细论述了温度计的构造和使用方法，并解释说，德吕克最初对温度计感兴趣，是因为有必要根据温度变化校正气压计读数。[15] 我将有机会在第二章中讨论德吕克在温度测量方面的工作的其他方面，但现在让我们回到沸腾温度根据“沸腾程度”可能发生变化的主题。德吕克最初断言：
当水开始沸腾时，它还没有达到所能达到的最高温度。为此，整个水体需要处于运动状态。也就是说，沸腾应该从容器底部开始，并以尽可能最大的推动力扩散到整个水面。从沸腾开始到最剧烈的阶段，水的热量增加了超过一度。（De Luc 1772, 1: 351-352, §439）
在进一步的实验中，德吕克表明，他的温度计上有一个76到80度的区间（95-100摄氏度，或203-212华氏度），对应于从“嘶嘶声”到完全沸腾的沸腾范围，这与前面讨论过的亚当斯温度计上显示的204-212华氏度的范围非常一致。在德吕克的温度计上，最弱的真正沸腾从78.75度开始，而完全沸腾点被设置为80度，因此从开始沸腾到最高沸腾温度有一个1.25度（超过1.5摄氏度）的范围。[16]
[15] 参阅De Luc 1772, 1:219–221, §408。
[16] 参阅De Luc 1772, 2:358, §983。德吕克自己的温度计采用了后来所说的列氏温标（Réaumur scale），该温标在冰点和沸点之间有80个点。勒内-安托万·费尔绍·德·列奥米尔（René-Antoine Ferchault de Réaumur）曾使用过80个点的温标，但他的原始设计被德吕克进行了相当大的修改。
英国皇家学会委员会仔细调查了这一问题，这并不奇怪，因为其两位主要成员卡文迪什和德吕克此前都曾对此表示担忧。委员会的调查结果在一定程度上确保了人们对沸点稳定性的信心：
在大多数情况下，水沸腾得快与沸腾得慢几乎没有什么区别；即使有区别，也并不总是相同的，因为水沸腾得快时，温度计的读数有时较高，有时又显示得较低。不过，差别很少超过1/10度。（Cavendish et al. 1777, 819–820）
尽管如此，仍然存在一些疑问。试验是在金属锅中进行的，锅只从底部加热还是从侧面加热似乎很重要：
在我们用短锅中的短温度计进行的一些试验中，容器的侧面有近四英寸暴露在火中，当水沸腾得快时，温度计的读数总是比沸腾得慢时更低，而当只有锅底暴露在火上时，温度计的读数总的来说更大。（820）
这一结果不仅与委员会所做的其他试验不一致，而且与亚当斯和德吕克的观察结果完全相反，根据亚当斯和德吕克的观察，剧烈沸腾的水比温和沸腾的水温度更高。
还有其他因素需要担心。其中之一是沸水的深度：“如果球深深地浸入水中，它会被水包围，因此会受到超过大气重量的压缩，因此它的温度将比它应有的温度要高”（817-818）。实验确实证实了这种担忧，实验显示温度计球上方的水深每英寸有约0.06度的变化。然而，委员会不愿意将这一观察作为一般规则提出。一方面，虽然这种效应显然是由压力变化引起的，但它的影响只有大气压力变化引起的一半。更令人费解的是，“沸点在某种程度上因为在球下（below）有很深的水而提高……然而，这种效应并不总是发生”（821-822; 强调为后加）。尽管委员会最终就如何确定沸点提出了相当明确的建议，但其报告也透露出一种挥之不去的不确定感：
然而，在不同日期进行的试验之间存在非常明显的差异，即使气压计降低到相同的高度，尽管观察总是用雨水或蒸馏水进行……我们根本不知道这种差异是由于什么……（826-827）
过热和真沸腾的幻象
英国皇家学会委员会对沸点的工作生动地证明了十八世纪末关于沸腾现象的前沿知识的动摇。没有人比德吕克更清楚地意识到这些困难，他早在皇家学会委员会成立之前就开始担心这些困难了。就在1772年他的书即将出版时，德吕克又为他关于温度计的论述增加了一个十五章的补编，题为“关于沸水温度变化的探究”。这项研究的逻辑起点是在争论沸腾的温度是否固定之前，给出沸腾的精确定义。那么，什么是沸腾呢？德吕克（1772, 2:369, §1008) 将“真沸腾”（“la vraie ébullition”）设想为这样一种现象：与热源接触的“第一层”水在接触中吸收了尽可能多的热量（用他的话说是“火”），从而变成水蒸气并以气泡的形式在水中上升。他希望确定这第一层水所获得的温度。这在实验上是一项艰巨的任务，因为第一层一定很薄，任何温度计都无法浸入其中。初步实验表明，在正常条件下，第一层水和其余水的温度确实存在很大差异。例如，德吕克将盛有水的金属容器放入油浴中并进行加热时，只有当油温达到或超过150摄氏度时，水中央的温度计才会达到100摄氏度。人们只能推测第一层水的温度一定在100摄氏度到150摄氏度之间。德吕克在一次实验中将小水滴滴入热油中，当油温足够高时，小水滴就会爆炸成水蒸气，根据这一实验，德吕克得出的最佳估计是，第一层水的温度必须达到约112摄氏度，才能发生真沸腾。[17]
[17] 有关这些实验的更多详细信息，请参阅De Luc 1772, 2:356-362, §§980-993。
水真的可以加热到112摄氏度才沸腾吗？也许是对自己的结果感到怀疑，德吕克设计了一个不同的实验（1772, 2:362-364, §§994-995）。他认为，悬浮在油中的小水滴可能过于特殊，因此在新的实验中，他试图让整个水体都达到第一层的温度。为了减少水面的热量损失，他把水放在一个细长瓶颈的玻璃烧瓶中（只有约1厘米宽），然后像以前一样在油浴中缓慢加热。水的沸腾方式很特别，偶尔会产生很大的水蒸气气泡，有时爆炸性的气泡足以把烧瓶中的一些液态水甩出去。在这种奇怪的沸腾过程中，水的温度在100摄氏度和超过103摄氏度之间波动。一段时间后，水只剩下一部分，并稳定在101.9摄氏度的沸腾状态。德吕克观察到了后来被称为“过热”的现象，即液体的加热温度超过其正常沸点。[18] 德吕克现在似乎可以肯定，真沸腾所需的温度要高于通常公认的水的沸点。但究竟要高多少呢？
[18] 据我所知，“过热”一词最早由约翰·艾特肯（John Aitken）在1870年代使用；请参阅Aitken 1878, 282。法语术语surchauffer的使用时间要早一些。
回答这个问题有一个主要的难点。在达到真沸腾的温度之前，水中溶解空气的存在引发了类似沸腾的现象。德吕克知道，通常水含有大量溶解的空气，在达到沸点之前，其中一些空气通过加热被挤出并形成小气泡（通常贴在容器的内表面上）。他还很清楚，在远低于沸点的温度下，水表面的蒸发速度就很快。将这两点放在一起，德吕克得出结论，小气泡的内表面一定会在比真沸腾温度低得多的温度下发生大量蒸发。那么，气泡就会膨胀，上升并逃逸，释放出空气和水蒸气的混合物。这算不算沸腾？它确实具有沸腾的表象，但它并不是德吕克所定义的真沸腾。他认为溶解空气的这种现象是他在研究中必须克服的“最大障碍”：“也就是说，在真沸腾之前，空气的出现引起了内部蒸气的产生。”[19]
[19] 有关空气在沸腾中的作用的讨论，请参阅De Luc 1772, 2:364-368, §§996–1005；引用的段落来自第364页。
德吕克决心研究真沸腾，这意味着要获得完全不含有空气的水。他尝试了一切。幸运的是，持续沸腾实际上可以去除水中的大部分空气。[20] 然后，他在一个玻璃管中装满热开水，并将玻璃管密封起来。冷却后，水的收缩在密封的玻璃管内形成真空，空气进一步逃逸进入真空中。[21] 这个过程可以根据需要不断重复。德吕克还发现，摇晃玻璃管（就像他说的冲洗瓶子一样）有助于空气的释放。这是任何一个曾经错误地摇晃过一罐碳酸饮料的人都知道的事实。经过这些操作，德吕克得到了只有在温度高达140摄氏度的油浴中才能稳定沸腾的水。[22] 但和以前一样，他无法确定水是否真的达到了油浴的温度，尽管这一次水装在一根细管里。将温度计插入水中以验证其温度会产生令人抓狂的副作用，即向精心净化的水中引入一些新鲜空气。所以，除了将温度计放入水中以后再进行净化处理之外，别无他法，这使得原本就很复杂的净化操作变得更加令人沮丧和痛苦。他报告说：
[20] 将这一观察结果与约翰·艾特肯（1923, 10）后来的描述进行比较，后者的著作将在“迷雾中的尾声”中详细讨论：“水沸腾一段时间后，其中的气体越来越少。因此，需要更高的温度才能使气体与水分离。因此，我们发现水在沸腾一段时间后温度会升高。沸点实际上不取决于蒸汽形成的温度，而是取决于自由表面形成的温度。”
[21] 德吕克早些时候曾使用这种技术制备用于温度计的酒精。酒精的沸点低于水（确切温度取决于其浓度），因此在水的沸点下对酒精温度计进行分级存在明显的问题。德吕克（1772, 1:314-318, §423）发现，清除酒精中的溶解空气使其能够承受沸水的温度。如果W. E. Knowles Middleton（1966, 126）读过德吕克关于过热的讨论，他可能会在做出以下严厉的判断之前再好好思考一下：“如果这里面除了自欺欺人之外还有别的东西，那么德吕克一定是通过这个过程去掉了几乎所有的酒精。尽管如此，这个想法还是因德吕克的权威而广为流传。”
[22] 有关清除过程的描述，请参阅De Luc 1772, 2:372–380, §§1016–1031。用无空气水进行的沸腾实验（“第六个实验”）在2:382–384, §§1037–1041中有描述。
这次操作持续了四个星期，期间我几乎没有放下我的烧瓶，除了睡觉，进城办事，做一些需要双手的事情。我吃饭，我读书，我写作，我见我的朋友，我散步，同时摇晃我的水……（De Luc 1772, 2:387, §§1046–1049）
四个星期的疯狂摇晃终于有了回报。他得到的珍贵的无空气水即使在真空中也能达到97.5摄氏度的温度，而在正常大气压下，它在爆炸式的沸腾前的温度达到了112.2摄氏度（2:396-397, §§1071-1072）。现在，纯水的过热现象得到了毫无疑问的证实，而且这个实验中达到的温度与德吕克最初估计的“第一层”水在沸腾时达到的温度非常一致。
对于德吕克来说，过热是一次实验上的胜利。然而，这却让他陷入了理论困境，甚至是彻底的困惑。普通的水充满了空气，无法达到真沸腾，但他的纯净的无空气水却根本无法正常沸腾，只能在温度不稳定的情况下爆炸性地喷发。更复杂的是，即使水没有被排除掉空气，后一种类型的沸腾也会发生在窄颈烧瓶中。德吕克开始他对沸腾的研究是想要知道真沸腾的温度。当他完成时，他已经不知道什么是真沸腾了。至少他认识到沸腾并不是一种简单、均质的现象，这一点值得赞扬。以下是水在接近沸点时会发生什么的唯象理论（phenomenology），这些是我从德吕克1772年论文的各个部分中收集到的。尽管我竭力想使其具有一定的条理性，但这并不是一个非常整齐的分类。
普通沸腾：大量蒸汽气泡（可能与空气混合）以稳定的速率从表面上升。这种沸腾可以以不同的速率或“程度”发生，具体取决于热源的功率。水的温度相当稳定，但可能会根据沸腾速率而有所变化。
嘶嘶声（德吕克法语中的sifflement）：大量蒸汽气泡在水体中上升，但在到达表面之前又凝结成液态。当水的中层或上层温度低于底层时，就会发生这种情况。由此产生的完全沸腾之前的噪音对于认真喝茶的人来说是熟悉的，这种声音也曾被称为水壶的“歌声”。
暴沸（法语为soubresaut；均为后来的术语）：偶尔会升起大的孤立的蒸汽气泡；气泡可能一次只出现一个，也可能以不规则的方式出现几个。水的温度不稳定，当产生大气泡时温度下降，当没有气泡形成时温度又上升。经常有很大的噪音。
爆炸：水体的一大部分突然“砰”的一声爆发成水蒸气，将剩余的液体猛烈地甩出。这可以被视为暴沸的极端情况。
仅快速蒸发：不形成气泡，但大量蒸汽和热量通过开放的水表面稳定逸出。根据具体情况，温度可能稳定或不稳定。这种现象通常发生在低于正常沸点的水中，但也发生在过热水中。在后一种情况下，它可能是暴沸或爆炸过程中的一个阶段。
冒泡（德吕克法语中的bouillonement）：虽然看起来像沸腾，但只是溶解的空气（或其他气体）逸出，就像碳酸饮料的冒泡一样。当压力突然释放时，这种情况尤其容易发生。[23]
[23] 有关冒泡的讨论，请参阅De Luc 1772, 2:380–381, §1033。
现在，哪一个是“真”沸腾呢？没有一个选项是令人满意的，也没有一个可以被完全排除。冒泡似乎根本不是沸腾，但正如我们将在“对沸腾的理解”部分中看到的，后来流行的沸腾理论将沸腾视为溶解在液态水中的水蒸气（气体）的释放。嘶嘶声和快速蒸发可以很容易地被我们所熟知的“沸腾”所排除，因为在这些情况下，没有蒸汽泡从水体内部穿过到达其表面，然而，我们将在“迷雾中的尾声”中看到，有一种可信的理论观点认为，表面蒸发被认为是“沸腾”的本质。可能最接近德吕克最初的“真沸腾”概念的是暴沸（爆炸是其特例），其中几乎没有或根本没有溶解空气的干扰，“第一层”水可能被允许通过热量达到饱和状态。但是，将暴沸定义为真沸腾，可能会与之前接受的沸点概念产生很大的不一致，因为暴沸的温度不仅明显高于普通沸腾的温度，而且本身也不稳定。唯一剩下的选择是将普通沸腾视为真沸腾，这意味着沸点是与空气混合的不纯水的沸腾温度。最终，德吕克在他对沸腾的研究中似乎未能得出任何令人满意的结论，并且没有证据表明他的结果在当时被广泛采用或者众所周知，尽管我们即将看到，他的观点在几十年后得到了有力的复兴。
在十九世纪，进一步的研究表明沸腾是一种比德吕克所看到的更加复杂和难以驾驭的现象。法国物理学家和化学家约瑟夫·路易·盖-吕萨克（Joseph-Louis Gay-Lussac, 1778-1850）在1810年代做出了重要贡献。他的介入意义重大，因为他被认为是当时全欧洲最有能力、最可靠的实验家之一，而且他早期的名气正是在热物理学领域取得的。盖-吕萨克（1812）报告称（精确度值得怀疑），水在玻璃容器中的沸点为101.232摄氏度，而在金属容器中的沸点为100.000摄氏度。然而，在玻璃容器中投入一些细碎的玻璃粉，使沸腾的水的温度降至100.329摄氏度，而加入铁屑后，温度正好降到100.000摄氏度。盖-吕萨克的发现被他的同事让-巴蒂斯特·毕奥（Jean-Baptiste Biot, 1774-1862）写进了权威的物理学教科书中，毕奥强调确定测温固定点是否“完全恒定”的极端重要性。毕奥（1816, 1:41-43）承认盖-吕萨克的现象无法用他那个时代的热物理学来解释，但他认为这些现象有助于更精确地定义沸点，因为它们导致了沸腾必须在金属容器中进行的规定。如果盖-吕萨克和毕奥是正确的，那么皇家学会委员会的成员仅仅因为碰巧使用了金属容器而得到了合理固定的沸点结果。他们的报告中没有解释这一选择的原因，但德吕克可能告诉委员会其他成员，他麻烦的过热实验是在玻璃容器中进行的。
与德吕克的研究结果不同，盖-吕萨克的研究结果受到了广泛报道和接受，尽管也有一些孤立的批评。然而，又过了三十年，物理学教授弗朗索瓦·马尔塞（François Marcet, 1803-1883）才在日内瓦迈出了重要的下一步。他的父亲是移民到伦敦的医生亚历山大，而他的母亲简则是著名的科普作家。马尔塞（1842）通过使用曾经装有强硫酸的玻璃容器，在普通的水中产生了超过105°C的过热现象。显然，因为某种原因，酸改变了容器表面，使沸腾变得更加困难。在马尔塞的工作之后，过热现象成为一个明确公认的研究对象，激发了一系列争夺创纪录的沸腾温度的精湛实验表演。根特大学的化学家弗朗索瓦·玛丽·路易·唐尼（François Marie Louis Donny, 1822-?）将这种关于附着力的见解与德吕克关于空气作用的想法的复兴结合起来，并在他自己的特殊仪器中使用无空气水产生了令人惊叹的137°C。唐尼宣称：“产生普通沸腾的能力实际上不能被视为液体的固有属性，因为只有当它们溶解了气态物质之后，也就是说，只有当它们不处于纯净状态时，才会显示出这种能力”（1846, 187-188）。
1861年，洛桑学院物理学教授路易斯·杜福尔（Louis Dufour, 1832-1892）的工作又增加了另一个需要考虑的重要因素。杜福尔（1861, esp. 255）认为与固体表面的接触是产生沸腾的关键因素，并通过将漂浮在其他液体中的水滴加热到178°C（甚至无需清除水中的空气）来证明他的想法的正确性。乔治·克雷布斯（Georg Krebs, 1833-1907）在1869年对唐尼的技术进行了改进，估计的沸腾温度达到了200°C，甚至超过了杜福尔。[24]
[24] 克雷布斯的工作在Gernez 1875, 354中得到了报道。
过热竞赛看起来很有意思，但它也提出了巨大的理论挑战。[25] 现在所有研究人员都同意，温度升高到“常规”沸点并不是产生沸腾的充分条件。他们无法达成一致的是产生沸腾所需的附加条件是什么。如果不满足这些附加条件，目前还不清楚过热会持续到什么程度。唐尼在1846年就已经表达了对这一点的困惑和不确定：“我们无法预测如果能够使液体达到完美纯净的状态会发生什么。”克雷布斯在前面引用的著作中认为，完全排除空气的水根本不可能沸腾。巴黎著名的物理学教授马塞尔·埃米尔·维尔德（Marcel Émile Verdet, 1824-1866）将热力学引入法国，他的更为谨慎的观点是，过热的程度可能存在一个极限，即有足够的热量来瞬间蒸发全部水份。然而，维尔德承认，只有一个实验支持这一观点，即查尔斯·卡尼亚·德拉图尔（Charles Cagniard de la Tour, 1777?–1859）在临界点（超过这个温度，无论压力如何，气体都不能液化）的经典实验。[26] 即使到了十九世纪末，这个问题也拥有足够的不确定性。1878年，第九版《大英百科全书》（Encyclopaedia Britannica）记录到：“据报道，尚未观察到纯（pure）水沸腾。”[27]
[25] 这场过热竞赛与当今超导领域为达到越来越高的温度而进行的竞赛之间可能存在着有趣的相似之处。
[26] 请参阅Gernez 1875中对过热研究的综述。唐尼的陈述在第347页中被引用，维尔德观点的报告可以在第353页中找到。
[27] “蒸发”, 《大英百科全书》, 第九版, 第8卷（1878）, 727–733, p. 728；重点为原文所加。本条目由William Garnett撰写。
参考文献
Posthumanism
请见原文
