熱學

熱學的發展包括熱力學和統計物理兩部分，它一開始雖然不象力學一般從數學中演繹出一套完美嚴格的體系，但於生產發展，社會進步卻起過重要的作用，從第一次科技革命的代表--蒸汽機便可見一斑。 　　 早在1695年法國人丹尼斯?巴本就製造出世界上第一台活塞似蒸汽機，他的設計思想很是新穎，汽缸中加熱產生蒸汽，推動活塞上升到頂端，然後汽缸降溫，活塞又被推回，於是裝置就運轉起來。 　　 此後的蒸汽機種類繁多，但究其原理也與此類似。作出重大改進的是英國的瓦特，他於1782年制出單動式蒸汽機，並隨後改進為雙衝程式，蒸汽機的效率大大提高，並被廣泛運用於各行各業，從此瓦特的名字就和蒸汽機緊緊聯在一起。 　　 瓦特，巴本等人都是第一等的大發明家，工程師，卻都算不上是物理學家。熱學建立之初便和工程運用方面聯繫得極緊，這固與熱學中不需要力學那般複雜的數學工具有關，但研究熱學的物理學家們大多重視實驗現象，忽視哲學的思辯也是一大失策，譬如荒謬的熱質說就作為熱學的根本前後統治達兩百年之久便是明證。至於在如此脆弱的根基上居然演繹出很多成功的熱學定理，甚至總結出震爍古今的第一哲學思想--能量守恆定律，卻當真匪夷所思。 　　 整個熱力學是建立在三大定律的基礎之上的，如同牛頓三定律是牛頓力學的核心一般。第一定律就是能量的轉化和守恆定律，這不僅限於熱學領域，而是貫穿於整個物理學中。最早用實驗證明熱學中的熱量和力學中的功等效的是英國物理學家焦耳。 　　 焦耳出生於曼徹斯特，原本是位釀酒師，後來在著名化學家道爾頓的引導下走上了科學的道路。他在實驗方面頗有天賦，幾乎是一點便會，一會便精，二十齣頭就在電學中觀察到電流產生的熱量和電流強度的平方、電阻成正比的焦耳定律而揚名一時，然而自此這位年青人就沉寂下去，因為他花了足足三十年的工夫才測定熱功當量的數值，奠定了能量守恆的基礎。 　　 能量守恆定律意義的重要性在當時而言，其哲學上的意義遠較物理為勝。哲學家盡可以歡天喜地地拿去引證自然界事物的運動形式總是不斷轉化的觀點，而物理學家只不過簡化了一些複雜問題的求解過程。 　　 真正令人大開眼界的是二十世紀的相對論誕生之後，愛因斯坦著名的質能方程 顯示出質量和能量的轉換關係，原來各自獨立的能量守恆和質量守恆也合二為一。此後數學中的群論引入物理學之後，尋找守恆定律便成了第一要務，今後物理學還會有什麼進展，很大程度上取決於是否能找到類似能量，動量之類的守恆量。 　　 熱力學第一定律無情的擊碎了"永動機"的夢想。人類自古以來就渴望制出一種不需要額外提供能量又能永遠轉動下去的機器，但一直也未成功，反倒弄出了無數鬧劇。 　　 最有名的是歐洲的一個人號稱制出了永動機，其裝置並不複雜，不過是一個輪軸上懸掛了幾個金屬球，偏偏這個輪軸當真一轉起來就不休不停，而且每轉一圈還可以從井中提出一小桶水來。稍具物理知識的人便可知此事絕不可能，但也一時看不出其作弊的手段。這個人口才了得，在他的鼓動之下，居然帶著永動機遊歷整個歐洲，每到一國還受到王室的接見，甚至還曾取得專利。後來他的僕人間拌嘴才泄露了天機，原來永動機的下面有個暗箱，只須有人藏匿其中轉動發條即可。 　　 第一定律明確指出了能量是不能憑空產生的，但有些才智之士又突發奇想，第一定律不是指出能量和熱量可以相互轉換么，那好，我們可以從一個高溫物體不斷吸收出熱量並轉換成機械能做功，這不也是一種永動機么，何況於第一定律並不矛盾呀。 　　 其實當蒸汽機不斷完善的時候人們就發現出這一個問題，無論怎麼潤滑機件，減小摩擦，蒸汽機的效率提高到一定值之後就怎麼也上不去了，換句話說高溫物體釋放的熱量絕對不能完全轉化成機械能，這倒不能簡單地推諉於摩擦，即便是摩擦力為零的情況也是如此，解決這個問題就需要用到熱力學第二定律。 　　 著名的物理學家克勞修斯提出的第二定理的表述是：不可能從單一物體吸收熱量並把熱量完全轉化為機械能，另一位物理學家開爾聞勛爵的說法更是簡單明了：不能把熱量從低溫物體逆傳到高溫物體，後來證明這兩種說法都是等同的。 　　 隨後克勞修斯便引入了熵的概念，從而第二定律又獲得了第三種解釋：熵增加原理，即在封閉的外部熱量無法傳入的情況下，體系的熵值只會朝增加的方向移動。 　　 所謂熵值乃是表現體系的無序程度的物理量，熵值越大，體系便越是混亂離散。熵這個詞在當今除了物理和化學等寥寥學科之外，很少再有人提及了，但在19世紀的歐洲的上層社會的交談中，你若不裝腔作勢地拼出這個字音來會被人視為鄙陋的。 　　 起因還在克勞修斯，他得出熵增加的結論之後馬上就推廣到宇宙空間，整個宇宙不也可視為一個封閉系統么，那麼宇宙的前景是可想而知的，熵值無限增加，最後到一個極大值，此後宇宙各處的溫度都等同了起來，便處於一種永恆的死寂狀態。他寫下這篇論文時的筆調很是憂鬱，似乎宇宙的末日並不為遠。 　　 克勞修斯的文章震動了整個社會，當時西方各國的社會正處於上升的黃金階段，機械大工業已初見端倪，粗大的煙囪林立城市，滿載的航船游曳大洋，老百姓的生活日益富足，人人都正在想如何把此等天堂一般的日子承繼下去，孰料一盆冷水突然迎面潑來。 　　 末世的到來聖經里不是沒有，那也只是觸怒上帝的報復，再說那時人們已大多傾信於科學，於天主的警告未必放在心上，然而正是科學家作出這等慘淡的預言，不由得不信，一般小民未必會在意這世界的結局如何，但哲學家們卻非要爭出個是非不可，受其影響，那個時期的文學也是悲觀主義盛行一時，無病呻吟的詩歌也處處可見，神學家又得意地站了出來"如何，末日終有到來之日，這可是上帝的懲罰，還不投入天主的懷抱，請求寬恕？" 　　 實際上宇宙的熱寂說本不足為信，第二定律簡單地推廣到整個宇宙空間未必適用，何況我們還無法說出宇宙的邊界究竟是怎樣的情況。至於那些耗散到太空去的熱究竟到哪裡去了，究竟又是怎樣集結起來的，這期間牽涉到怎樣的能量轉化過程，當時的人們只能含混其詞"上帝自有他的道理"。這須得到二十世紀的新宇宙學發展之後，才能給出答案。 　　 熱力學第三定理最簡單的表述是：絕對零度可以無限接近，但永遠都不能真正達到。我們知道，物理學家開爾文曾經制定過一套熱力學溫標，與攝氏溫標和華氏溫標不同的是，它規定的世界上的最低溫度是絕對零度，換順換算成攝氏溫度是-273.16度。 　　 第三定律是在對低溫進行時由德國的物理化學家能斯脫提出的，沿著這條路走下去到二十世紀低溫物理學便發展成物理學中門類最是龐大的一支--凝聚態物理，八十年代紅極一時的超導也是系出此門。 　　 熱學的另一支統計力學走的與熱力學全然不是一條路，它是建立在分子運動論和數學上一大分支概率論基礎之上的。 　　 分子學說自從古希臘的德謨克里特以來沉寂了千年之久，直到近世才被大化學家道爾頓從故紙堆中翻了出來，而概率論來歷更是古怪，最初居然是大數學家傅立葉從賭場中獲得的靈感。這樣的兩種理論結合在一起，又沒有很強的實驗來支撐，人們原來是不抱什麼希望的。孰料天下盡多蹊蹺之事，統計力學輕易就推導出熱力學三大定律，而且前提只有一條：承認每個分子在各種不同的物理狀態中是等幾率分布的。 　　 這樣一來熱力學給出的是宏觀上的現象，統計力學解釋的是微觀上的機理，二者實是殊途同歸。其實統計力學最大的意義並不在於把熱學重新解釋了一遍，而是第一次把概率論的觀點引入了物理學中，這在二十世紀物理學的革命中起了極端重要的作用，到今天每個物理學家都能真切地認識到：我們這個世界是建立在概率基礎上的。
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