大數(shù)據(jù)文摘出品

來源：IEEE

編譯：陳之炎

新年新氣象，吃什么才能使小蠻腰更加苗條？

要達(dá)到這一目標(biāo)，自然而然機(jī)會想到計算食物的卡路里，控制自己的飲食。

這一切都要歸功于一個叫威爾伯·阿特沃特（Wilbur O. Atwater）的美國人，正是他引入了食物能量單位——卡路里。

1873年至1907年，阿特沃特是康涅狄格州衛(wèi)斯理大學(xué)的化學(xué)教授。

在去慕尼黑學(xué)習(xí)之后，他對營養(yǎng)和代謝的興趣日漸深入，在慕尼黑，他學(xué)到了德國人分析食物營養(yǎng)含量的技術(shù)，通過調(diào)研食物中的化學(xué)能與體能之間的相關(guān)性，來確保工人的合理飲食。

1887年，阿特沃特發(fā)表了題為“食物的潛在能量”的文章，文中他將熱量定義為將一公斤水的溫度升高1攝氏度（或一磅水4華氏度的熱量）。

他試圖證明一個單位的熱量可能是一個單位的機(jī)械能，為此他定義一個卡路里為1.53英尺噸——也就是說，需要舉起一噸物體一英尺的力。

文中，阿特沃特列出了各種食物的卡路里計數(shù)，如瘦牛肉相當(dāng)（807)、黃油(3,691)、普通牛奶(308)和脫脂牛奶(176)、燕麥片(1,830)和蘿卜(139）。

數(shù)據(jù)基于對每種食物中營養(yǎng)、蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物的數(shù)量的估計，通過一些實驗獲得。

雖然現(xiàn)代食物的卡路里計算方法與阿特沃特的計算方法略有不同，但他的估計數(shù)據(jù)依然可用，1克蛋白質(zhì)含有4.1卡路里，1克脂肪含有9.3卡路里。

阿特沃特利用了一種稱為炸彈量熱儀的儀器來做實驗，這種儀器在當(dāng)時已經(jīng)廣泛使用，它用來測量在反應(yīng)過程中放出的熱量：將樣品放置在一個叫做炸彈的鋼反應(yīng)容器中，然后浸入水中，用電流啟動樣品，水由此產(chǎn)生熱量，按一定的時間間隔記錄水的溫度。

阿特沃特和衛(wèi)斯理的物理學(xué)家愛德華·羅莎、化學(xué)家弗朗西斯·本尼迪克特開發(fā)出一種呼吸量熱計?？茖W(xué)家通過它來測量人體的氧氣攝入量、二氧化碳排放量以及由此產(chǎn)生的熱量，從而估計出人體消耗的卡路里。

量熱計是一個銅盒，高6英尺，寬4英尺，深7英尺（1.8*1.4*2.1米），包裹在木材和鋅中，以確保恒溫。受試人員將在這個盒子里呆12天，完成各種指定的任務(wù)，從躺著休息到鍛煉，這些研究實驗成為了理解代謝率的基礎(chǔ)。

難道這就是我們計算卡路里的方法，事實并非如此。

在花費(fèi)幾十年時間定義卡路里的過程中——出現(xiàn)了焦耳

阿特沃特并沒有定義出“卡路里”這個詞，它是由巴黎梅蒂埃斯學(xué)院的化學(xué)教授尼古拉斯·克萊門特發(fā)明的。

1819年，克萊門特教授了一門工業(yè)化學(xué)課程，他需要一個熱量單位來討論蒸汽機(jī)如何將水蒸氣轉(zhuǎn)化為熱量，他將卡路里定義為將1公斤水的溫度提高1°C所需的熱量——這與阿特沃特的定義不謀而合，克萊門特更精確地說明測量是從0°C到1°C。

科學(xué)家接受了克萊門特的定義，從此，卡路里進(jìn)入了法國物理教科書。

在這些教科書中，其中兩篇由法國物理學(xué)家Adolphe Ganot翻譯成多種語言，歐洲和美國的大學(xué)在20世紀(jì)初使用了這些教科書，從此，克萊門特的卡路里變成了英語。

與此同時，卡路里的另一個定義正在形成，1852年，法國化學(xué)家Pierre Favre和法國物理學(xué)家Johann Silbermann將卡路里定義為：將一克水的溫度提高1攝氏度所需的能量——差了1000倍！

德國科學(xué)家采用了他們的定義。

到了1870年代，熱量定義的競爭關(guān)系日趨激烈，法國化學(xué)家Marcellin Berthelot做對此出了區(qū)分：他把卡路里(用小寫字母c)定義為克熱卡，把卡路里（大寫）定義為千克熱卡。

1894年，美國醫(yī)生約瑟夫·雷蒙德(Joseph Raymond)在他的經(jīng)典教科書《人體生理學(xué)手冊》(A Manual of Human Physiology)中提議稱大卡為“千卡”，直到幾年后這個詞才流行起來。

同時，英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會正在研究一個完全不同的能量單位：焦耳。

1882年，威廉·西門子(William Siemens)在擔(dān)任BAAS主席的就職演說中提出了焦耳。

西門子對卡路里感到困惑：“一個完全隨意的單位顯然會帶來不便，引入一個基于電磁系統(tǒng)的單位更為準(zhǔn)確?！彼麑⒔苟x為當(dāng)一安培的電流通過一歐姆的電阻一秒鐘時，消散的熱量。

圖片：美國農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)業(yè)圖書館特別收藏，威爾伯·阿特沃特利用一個較小的熱量計來估計香蕉等不同食物的卡路里計數(shù)。

因此，當(dāng)阿特沃特對食物進(jìn)行營養(yǎng)研究時，他選擇了熱能單位。他在加諾翻譯的教科書中讀到克萊門特的卡路里。

在德國的博士后培訓(xùn)期間，他會遇到法夫雷和西爾伯曼的卡路里。作為一個科學(xué)界的成員，他可能會聽說擬議中的焦耳，西門子的定義直到1889年在第二屆國際電氣大會上才被采納。

喬治亞大學(xué)的James L.Hargrove調(diào)查了卡路里的歷史，并就阿特沃特為什么選擇卡路里提出了一些建議：首先，它是美國字典中列出的唯一能量單位。更重要的是，哈格羅夫認(rèn)為：熱量是一個可管理的尺度，圍繞這個尺度，阿特沃特建議一個人的每日攝入量為2000卡路里，如果每天攝入200萬卡路里的話，似乎會很麻煩。

美國營養(yǎng)學(xué)家緊隨阿特沃特之后，在阿特沃特為美國農(nóng)業(yè)部準(zhǔn)備的表格中，列出了500多種食物的卡路里計數(shù)。阿特沃特的女兒海倫協(xié)助他的實驗室工作了十年，1907年父親去世后，她去了美國農(nóng)業(yè)部家政局工作。

大卡路里和卡路里在1948年被正式淘汰，當(dāng)時國際科學(xué)界采用焦耳作為標(biāo)準(zhǔn)能量單位。正如西門子所指出的那樣，僅僅用大寫和數(shù)量級來區(qū)分兩種不同的定義太令人不解了。今天，美國的營養(yǎng)標(biāo)簽繼續(xù)報道卡路里，而其他國家給出的單位為卡爾斯和焦耳。

熱量計引發(fā)了蒸汽發(fā)生器的設(shè)計

不光是營養(yǎng)學(xué)家對卡路里感興趣，上世紀(jì)初，電力需求激增，許多國家的市政當(dāng)局正在建造新的發(fā)電廠。

隨著汽輪機(jī)的發(fā)明，發(fā)電機(jī)變得更加復(fù)雜，鍋爐在更高的溫度和壓力下運(yùn)行。工程師們迫切需要獲取蒸汽設(shè)備的數(shù)據(jù)，但他們?nèi)狈λ驼羝匦缘膰H標(biāo)準(zhǔn)化度量。

于是他們轉(zhuǎn)向了回到克萊門特的量熱儀：利用它完成測量蒸汽的工作。

從1921年開始，持續(xù)了將近20年，Nathan Osborne、Harold Stimson和Defoe Ginnings在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（現(xiàn)為國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）就這個確切的問題展開工作。研究小組開發(fā)了優(yōu)雅量熱儀，研究水在100°C時的熱容量和汽化熱。

圖片：國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院數(shù)字收藏，1937年的蒸汽量熱計是美國國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)明的，用于測量蒸汽動力設(shè)備的輸出。

該儀器已經(jīng)被切開，以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工作原理類似于阿特沃特使用的炸彈熱量計。球形內(nèi)殼裝有水樣，能量由電流增加，科學(xué)家觀察狀態(tài)的變化。進(jìn)入20世紀(jì)60年代，他們的實驗數(shù)據(jù)指導(dǎo)了蒸汽動力設(shè)備的設(shè)計和評估。

正如Osborne在1925年的報告“流體熱量測量”中所指出：電加熱器、電阻溫度計和熱電偶的采用和改進(jìn)，使熱量計成為了熱研究中可靠、準(zhǔn)確的測量手段。

因此，無論是計算食物中的能量還是水的熱容量，熱量計對化學(xué)家、物理學(xué)家和工程師來說都是兩個多世紀(jì)以來的寶貴工具。進(jìn)入新的一年，當(dāng)我們中的許多人對卡路里重新產(chǎn)生興趣時，似乎更應(yīng)該向計算卡路里的工具致敬。

這篇文章的摘要版本發(fā)表在2021年1月的印刷版上，名為“計數(shù)卡路里。”

相關(guān)報道：

https://spectrum.ieee.org/tech-history/dawn-of-electronics/how-counting-calories-became-a-science

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原標(biāo)題：《靈魂之問，食物熱量單位為什么是卡路里？》

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