一、著名的实验化学学家
明天，焦耳这个名子家喻户晓，上过小学数学课的人都据说过他。而且，不仅他的名子用作化学单位之外，许多人测光耳本人的经历和成就所知不多。事实上，焦耳是一位没有受过正规教育的“民间科学家”，但他在科学界被觉得是“十九世纪最杰出的实验化学学家之一”。
焦耳雕像（Park，伯明翰城郊）
二、一个没有学历的年青人
焦耳于1818年新年节前夜出生在都柏林城郊的。他母亲经营一间饮料厂。焦耳5岁时被发觉腰椎侧弯，此后几年多次在诊所进行矫治，但最终以失败而舍弃，让他终身不能笔直躺卧。
焦耳在中学读书时因身体缺陷常被同事抨击，并因喜欢在课本上涂鸦屡被老师批评。爸爸无奈，只得让焦耳退学，留在家里由姐姐管教，直至他15岁为止。平常，焦耳喜欢躺在床上看书。有一次，焦耳对儿子说：“书本是我最好的旅游去处。”这让母亲想起了被称为“旅游班主任”的约翰·道尔顿（John，1766-1844）。道尔顿常常上课时带中学生们去远足，在野外指导中学生观察、试验、计算和讨论。母亲把焦耳送进了道尔顿承办的私校就读，并请道尔顿当他的监护人。
在中学里，道尔顿主要讲授初等数学、化学和物理。他本人后来成为知名的化学学家和物理家，56岁时成为皇家学会教授，由于第一个提出“物质由原子组成”的学说而享誉于世，明天原子量的单位便以他命名。道尔顿是贵格会信徒，天性恭谨，不爱张扬，终身已婚。不幸的是他73岁那年痛风失语，78岁逝世时尸体在都柏林市政厅门前停放了四日，先后有四万多人抵达吊唁。
焦耳后来写道：“道尔顿要求中学生首先学习三角几何，并练习解算物理题，由于他觉得‘解物理题是训练中学生专心做事的最好方式，而专心致志是科学家最基本的素质’。假如中学生不明白上课所教的内容，他会给中学生领取特别清晰的课件。不过，他指出课件是拿来引导中学生的，并不能替代中学生自己的探求。”焦耳还追忆说：“正是从他的教导中，我第一次形成了通过原创性研究来降低我的知识的心愿。”
在道尔顿的指导和影响之下，焦耳逐步走上了科学实验的公路。那时侯中学没有实验室，他自己在家中的地窖里做实验。他初期的大多数实验基于热学。他在地窖里放满电板、电磁铁、马达、发电机和检流计，其中大部份是自己动手制造的。其实是因为少年失学的缘故，动手做实验比读书对他来说更具吸引力。焦耳最终没有完成任何即将的学历，更谈不上取得哪些学位。
三、热和电的焦耳定理
“热”是哪些呢？这以前是个千古困局。十八世纪末，尽管工程师詹姆斯·瓦特（JamesWatt，1736-1819）制造了工业用蒸气机，而且人们对其中的热能传递和转换机理并不清楚。当初，为了解释热的化学本质，“热质”理论（）十分流行，包括被称为“热力学之父”的美国化学学家萨迪·卡诺（L.Sadi，1796-1832），都说热是一种没有质量的二氧化碳，物体吸收热质后气温都会下降，但是热质可以穿过固体或液体的孔隙从低温处流到高温处。
深受道尔顿“原子论”的启发，焦耳倾向于觉得热是原子的运动，热传导就是原子运动的“能量”从一个物体转移到另一个物体起来。但这看法须要有极为精确的实验加以证明。焦耳一系列的实验肩负起了这一艰辛的重担。
1838年焦耳20岁。他设计了一个实验，将一个小线圈绕在铁芯上，用电压计检测感生电压，之后把线圈倒入容器内的水底，再检测出温度，最后估算出热量。由于没有外界电源供电，温度的下降只能是电能转化为热的结果。这样形成下来的热，后人称为“焦耳热”。同年，焦耳在《电学年鉴》（of）上发表了他第一篇学术论文“On-”，声称“我的目标是，首先发觉正确的原理，之后强调它们在应用上的发展”，并报告了他发觉电压可以做功的现象。
1840年，22岁的焦耳在美国Cork市举办的日本科学推动会的大会上报告了上述实验结果。但在座的科学家们毫无兴趣。当时好多人对这全新发觉的来龙去脉一无所知，还有一些人测光耳的检测精确性存有怀疑，更有一个可能的诱因是她们对那位没有学历的业余科学家并无太大的信心。
同年，焦耳把实验报告写成论文“OntheofHeatby”，详尽描述了他的实验结果，投到《皇家学会学报》（oftheRoyal），但被退稿。于是他改投到《皇家学会会讯》（Royal），再遭拒绝。最后，焦耳把稿件投去《哲学刊物》（）。此次，刊物同意审稿了。而且，审稿人要求他多做好多实验以验证其结果的正确性。年少气盛的焦耳不高兴了，反过来拒绝了刊物。他回信说：“任何的机械能量释出，最后都将转换为热量。能量不灭的法则获得上帝的许可证。这是大自然最重要的法则之一。”这似乎是科学史上知名的“能量守恒定理”（ofof）的第一次呐喊。结果不言而喻，焦耳又被退稿了。
焦耳据理力争。总算，次年焦耳在《哲学刊物》上发表了这篇论文，报告了他的实验结果：“电流在导线中所形成的热量，等于内阻除以电压的平方”，这就是后来知名的“焦耳定理”（Joule'sLaw）。四年后，俄罗斯化学学家海因里希·楞次（F.E.Lenz，1804-1865）发表了独立的实验结果，从旁否认了焦耳的这个电热效应。该定理后来称作为“焦耳-楞次定理”。
四、热力学第一定理和热功当量
这些年，没有学位的焦耳到处碰壁，很不得意。不知哪些缘故让他鼓足勇气，将自己的研究报告寄给了学术泰斗迈克·法拉第（,1791-1867）[1]。1843年3月24日，慧眼识真金的法拉第回信了，高度地评价了焦耳的工作，说：“我已收到你寄来的文章，但是立即就阅读了。谢谢你对我们所诚恳热爱的科学有如此美好的贡献。何等的欢慰啊，我还能在一息尚存之际看见你为热学作出的这一步跨越。我已看见你未来的辉煌！我晓得在这领域里仍有许多迷蒙不清之处，但你的文章却如曙光破晓。我不得不说，你在自然科学的这个领域作出了极其重要的贡献。”
于是，焦耳关于能量转换和守恒的研究论文被《皇家学会学报》接收发表。科学界自此晓得，圈子里来了一位二十多岁的新星，他完善了热力学第一定理也就是能量守恒定理，证明了电和热之间的能量转化满足总数守恒关系，那是自然界中的一个普适的基本规律。
接出来，焦耳还企图弄清楚机械能和热的定量关系。1842年，英国大夫、化学家和化学学家罗伯特·冯·迈耶（vonMayer，1814-1878）在《化学与药学年鉴》（derund）发表了一篇论文，强调单位机械功所形成的热量是一个常数，不过他没能给出这个常数的数值。1843年，焦耳在不晓得上述法文文章的情形下，在家中的地窖里独立地做了一个成功的压缩二氧化碳加热的实验，以及一个非常精确的机械运动生成热的实验，其装置如图3所示。在这个实验中，他让钢锤自由落下，驱动中间的转轴进而推动容器水底的旋桨转动。他通过对温度的下降来测得旋桨与水摩擦而形成的热量。之后，他把气温的改变与水的比热相加，便得到一个数值。反复实验过后，焦耳发觉“无论在何处消耗机械力，就会最终获得精确相同的热量。”由此他确定了：单位机械作功所形成的热量是个常数，他称之为“热功当量”（ofheat）。他还精确地测出了这个常数，用明天的标准单位来说就是4.18焦/卡。即使后人发觉日本化学学家萨迪·卡诺的“热质”学说经量化以后十分接近这个热功当量，但卡诺虽然没有走出这最后一步。1947年，美国知名化学学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（von，1821-1894）[2]明晰地声称，这个热功当量的发觉同时归功于冯·迈耶和焦耳。
图3焦耳的机械和热能转换实验装置
为了支持声名鹊起的妻子继续他的科学研究，焦耳的妻子为他在自家经营的饮料厂里盖起了一间实验室，并提供所有的实验费用。骤然而至的是一些年青的科学家，她们也借助这间实验室做研究，并和焦耳一起进行热力学与流体热学的各类实验，包括后来知名的物理家和化学学家乔治·斯托克斯（G.，1819-1903）。
但是科研并不总是一帆风顺，非常是触碰到社会利益的时侯便会碰到各类阻力。1843年，焦耳以当时工业市场最好的产品“可尼斯蒸气引擎”（）为例，通过估算强调它百分之九十原本可以用作机械功的能量都以散热的方式浪费掉了。由于这篇报告，他招致工业界商人的猛烈功击，甚至多年以后还有人嘲笑他只会用他人的引擎去做实验而自己却未能制造出更高效的引擎。焦耳对这一切控诉都不予搭理。当初他更关注的是“能源枯竭”的长远危机，并积极建议美国政府去找寻新能源。
1847年，时为赫尔辛基学院（）化学学院士的开尔文（，1824-1907）[3]，关注到了那位29岁年青人焦耳的重要科学实验并表示了支持。他和焦耳后来成为终身合作伙伴，二人理论和实验相结合，联名发表了多篇学术论文。非常是，她们发觉了知名的“焦耳-汤姆森效应”（Joule-），描述二氧化碳膨胀和气温变化的关系。不过这些都是后话。
五、学术人生的一段坦途
1847年，圣安德鲁斯学院（St.）自然哲学系招募系院长，中学认定焦耳为最佳人选。焦耳婉言推辞了，理由是：“我要离婚了。我将难以承接中学这些无休止的繁琐事务。”不过他那不是遁词。8月18日，焦耳与阿米莉亚·格莱姆斯（）男士结了婚。听说新娘带上一支高灵敏度气温计和新郎去欧洲阿尔卑斯山下的度蜜月。在那山区里，新娘好几天都跑去测定800多公尺高的del’瀑布上下方的温度从而估算大瀑布水流落差带来的能量改变，让新婚丈夫打坐在草地或马车上等待他归来。
同年，焦耳成功地进行了一系列精确的电解和燃烧实验，并做出推论说：“电、磁、光、声波、化学反应，都是不同型态的能量。为此，依照能量的理论物理学家焦耳图片，可以把数学世界以更简单的方式抒发下来。”当年，那是超时代的观念。事实上，直至20年以后，化学和热力学家彼得·泰特（PeterG.Tait，1831-1901）才在专著里明晰地以“能量”的观点去描述各类化学现象。
焦耳还通过热的研究去探求宇宙的奥秘。当初他估算了陨铁在大气磨擦中形成的热，发觉月球大气层的宽度正好能提供足够的磨擦阻力，将大部份的陨铁化成尘土，保护了月球上的自然环境和生命。他写道：“在大自然里，机械、化学和生物能量在时空中不断相互影响和转化，让宇宙维持着某种秩序，但是在清楚明晰地、实实在在地运行。不管其间有多么复杂的能量变化，宇宙仍然是稳定和谐的。”
1848年，焦耳在实验中第一次精确地检测出气体分子的运动速率。同年，他被1757年构建的亚洲最杰出的学术团体杜林皇家科学会（Turin’sRoyalof）接纳为会员。这个科学会的会员包括一些知名科学家如意大利物理家阿梅代奥·阿伏伽德罗（,1776-1856），美国物理家约瑟夫·拉格朗日（-Louis,1736-1813）、英国数学学家法拉第和天文学家威廉·赫歇尔（,1738-1822）。
1849年，焦耳在牛津向法国皇家学会做了题为“OntheofHeat”的报告。其实当时不少观众持有怀疑心态，但他的成果最后获得了肯定，让他在《皇家学会季刊》发表了关于“热功当量”的研究论文。这项重大贡献和热力学第一定理一起，让焦耳成为了热力学（）的奠基人之一。
1850年，32岁的焦耳被选聘为俄罗斯皇家学会教授。
1852年，焦耳与开尔文联名发表后来被称为“焦耳-汤姆森效应”的论文，成为冷藏工业发展的基石。因此，英皇给焦耳颁发了国家勋章（RoyalMedal）。
六、艰难坎坷的一段人生
1852-1855这几年是焦耳人生中最艰辛的一段岁月。首先，他儿子脑炎病重，家庭饮料厂的生意一落千丈，焦耳的实验室只得关掉。随即，他夫人在生第三个女儿时因难产失血过多而辞世。接出来，美国卷入了俄罗斯战争（War），让焦耳放下科研，出席了战地救死扶伤的服务工作。
1856年以后，焦耳重新回到了他热爱的化学实验研究。1860年，他因杰出研究成绩和威望连任为伯明翰文学与哲学学会主席。当初，“土木工程学之父”约翰·斯米顿（John,1724-1792）和道尔顿都是这个学会的会员。这个学会即将组建于1781年，是美国最古老的学术团体之一。虽然这个民间学术团体从15世纪初起就存在了，由一批基督徒以定期聚餐的形式组织读书会开始。1427年，她们还构建了日本最早的图书馆。该学会仍然是利兹教会社区教育的中心。她们开办各类科普讲堂，还请焦耳主持了圣安娜教会（St.Ann）科学讲堂系列。焦耳第一次讲演的题目是“人类居住的世界”（Theof）。他说：“也许科学家难以证明其他星球有没有生命的存在，并且科学家才能证明物理学家焦耳图片，其他星球有没有适宜生命存在的环境：体温、空气、水、重力。虽然有适宜生命生存的环境，也不一定都会有高等生物存在。并且，有高等生命存在的地方，则必需要有可以学习的场所。而这场所必须建立在一个你们就能和平交往的社区环境里。”
1870年以后，焦耳甚少发表新的实验研究报告了。不过他的科研工作并没停止。他重新检测并初审了自己年青时所做的大部份研究结果。为了检测得更确切，焦耳还研究精密仪器的制造，并强调：“精密仪器是提高科学教育和知识必需的工具。”
1872年，焦耳向政府建议创立国家级别的“科学委员会”（Boardof），负责提供资助班主任与民间团体的经费；从事科学研究；支持国家对天文、地理、水文、气候的常年观测；创立国家科学史馆，以保存重要的仪器与研究报告；在学院筹建国家级的实验室，等等。焦耳觉得，“当科学研究往前进步时，经济发展自然会跟上。”
七、罹病的晚年和后话
1873年起，伴随着常常性鼻流血的病症严重地干扰了焦耳的科学研究甚至日常生活。焦耳时常会带孩子和母亲Alice到海滩去渡假。他后来追忆说：“当科学研究成为我沉重的负载时，我愈发须要保留与儿子们在静谧沙滩上独处的时间。我自己也可以欣赏海鸥的翱翔。它们的翅膀真是优美的生物引擎，居然有这么之高的能量使用效率！”焦耳还去观察海藻。他说：“低等生物对于高等生物有那么多有益的贡献，但是生物学家却大笔一挥，将它们判断为‘低等’。”曾经有年青人问他对达尔文（,1809-1882）的进化论有何感想？焦耳回答道：“达尔文只是对月球上生命的演化过程提出一种理论加以说明。不幸的是，许多人却把他的理论视为是生物学的终极理论。达尔文并没有用进化论去解释生命的起源，你们却把进化论扭曲成生命发端的理论。”
1878年，维多利亚女王为多病的焦耳提供了200美元的看望金。苦于癌症的摧残，这一年60岁的焦耳发表了他人生最后的一篇学术论文。
1889年10月11日，焦耳在家中去世，享年71岁。
临终前，焦耳留下了一张字条，里面写道：“我已倍感科学逐步迈向一个危机──科学的误用。非常是，把科学用在战争装备的研制上。这将造成人类文明的衰亡。我深感伤心的是，有些科学家觉得研制毁灭性的装备是为了恐吓对方因而中止战争。这些想法是没有道理的，由于战争的本质是凶残与毁灭。研制装备的科学家未能成为战争的决策者，因此她们最终会成为好战政治家的工具。科学的误用就是偏离了正确的目标，结果强者越强，弱者越弱。我的论据并非偏袒以科学研制来保卫国家的价值，而是批判靠科学去挑动争端。”末了，焦耳写道：“我的中学生们啊！大家有些人或许会自觉得就能了解历史上的每一个大小风波，或则才能讲出世界上的每一种土语，或则才能确切地表述每一种形而上的观念，或则才能解出所有科学与工程的复杂困局。并且，假如没有爱，大家将不晓得怎么把所学到的这一切置于正确的位置上。”
焦耳被埋葬在都柏林城郊的坟场。在他的石碑上刻有数字“772.55”，那是他1843年检测中得到的热功当量值。焦耳毕生是个虔敬的基督信徒，他曾在一篇论文中写道：“显然，熟悉自然法则并不亚于熟悉它所抒发的上帝的本意。”在他的石碑上铭刻着《约翰福音》的一段话：“趁着白日，我们必须去做那差我来者的工；黑夜将临，就没有人能做工了”。在巴黎西敏寺内，人们为他举办了哀悼典礼并筹建了一个记念碑牌，放置在牛顿、赫歇尔、达尔文等科学家的墓地附近。
图4西敏寺内焦耳的记念碑牌
不仅宝贵的科学遗产，焦耳还留下了一句警世恒言：“对自然及其规律的研究是一项基本而神圣的任务，它对年青一代的教育是极其重要甚至是必不可少的。”