|
熱學(xué)的發(fā)展包括熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理兩部分，它一開(kāi)始雖然不象力學(xué)一般從數(shù)學(xué)中演繹出一套完美嚴(yán)格的體系，但于生產(chǎn)發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步卻起過(guò)重要的作用，從第一次科技革命的代表--蒸汽機(jī)便可見(jiàn)一斑。 早在1695年法國(guó)人丹尼斯?巴本就制造出世界上第一臺(tái)活塞似蒸汽機(jī)，他的設(shè)計(jì)思想很是新穎，汽缸中加熱產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)活塞上升到頂端，然后汽缸降溫，活塞又被推回，于是裝置就運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。 此后的蒸汽機(jī)種類繁多，但究其原理也與此類似。作出重大改進(jìn)的是英國(guó)的瓦特，他于1782年制出單動(dòng)式蒸汽機(jī)，并隨后改進(jìn)為雙沖程式，蒸汽機(jī)的效率大大提高，并被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)，從此瓦特的名字就和蒸汽機(jī)緊緊聯(lián)在一起。 瓦特，巴本等人都是第一等的大發(fā)明家，工程師，卻都算不上是物理學(xué)家。熱學(xué)建立之初便和工程運(yùn)用方面聯(lián)系得極緊，這固與熱學(xué)中不需要力學(xué)那般復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具有關(guān)，但研究熱學(xué)的物理學(xué)家們大多重視實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，忽視哲學(xué)的思辯也是一大失策，譬如荒謬的熱質(zhì)說(shuō)就作為熱學(xué)的根本前后統(tǒng)治達(dá)兩百年之久便是明證。至于在如此脆弱的根基上居然演繹出很多成功的熱學(xué)定理，甚至總結(jié)出震爍古今的第一哲學(xué)思想--能量守恒定律，卻當(dāng)真匪夷所思。 整個(gè)熱力學(xué)是建立在三大定律的基礎(chǔ)之上的，如同牛頓三定律是牛頓力學(xué)的核心一般。第一定律就是能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，這不僅限于熱學(xué)領(lǐng)域，而是貫穿于整個(gè)物理學(xué)中。最早用實(shí)驗(yàn)證明熱學(xué)中的熱量和力學(xué)中的功等效的是英國(guó)物理學(xué)家焦耳。 焦耳出生于曼徹斯特，原本是位釀酒師，后來(lái)在著名化學(xué)家道爾頓的引導(dǎo)下走上了科學(xué)的道路。他在實(shí)驗(yàn)方面頗有天賦，幾乎是一點(diǎn)便會(huì)，一會(huì)便精，二十出頭就在電學(xué)中觀察到電流產(chǎn)生的熱量和電流強(qiáng)度的平方、電阻成正比的焦耳定律而揚(yáng)名一時(shí)，然而自此這位年青人就沉寂下去，因?yàn)樗俗阕闳甑墓し虿艤y(cè)定熱功當(dāng)量的數(shù)值，奠定了能量守恒的基礎(chǔ)。 能量守恒定律意義的重要性在當(dāng)時(shí)而言，其哲學(xué)上的意義遠(yuǎn)較物理為勝。哲學(xué)家盡可以歡天喜地地拿去引證自然界事物的運(yùn)動(dòng)形式總是不斷轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)，而物理學(xué)家只不過(guò)簡(jiǎn)化了一些復(fù)雜問(wèn)題的求解過(guò)程。 真正令人大開(kāi)眼界的是二十世紀(jì)的相對(duì)論誕生之后，愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程 顯示出質(zhì)量和能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，原來(lái)各自獨(dú)立的能量守恒和質(zhì)量守恒也合二為一。此后數(shù)學(xué)中的群論引入物理學(xué)之后，尋找守恒定律便成了第一要?jiǎng)?wù)，今后物理學(xué)還會(huì)有什么進(jìn)展，很大程度上取決于是否能找到類似能量，動(dòng)量之類的守恒量。 熱力學(xué)第一定律無(wú)情的擊碎了"永動(dòng)機(jī)"的夢(mèng)想。人類自古以來(lái)就渴望制出一種不需要額外提供能量又能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)下去的機(jī)器，但一直也未成功，反倒弄出了無(wú)數(shù)鬧劇。 最有名的是歐洲的一個(gè)人號(hào)稱制出了永動(dòng)機(jī)，其裝置并不復(fù)雜，不過(guò)是一個(gè)輪軸上懸掛了幾個(gè)金屬球，偏偏這個(gè)輪軸當(dāng)真一轉(zhuǎn)起來(lái)就不休不停，而且每轉(zhuǎn)一圈還可以從井中提出一小桶水來(lái)。稍具物理知識(shí)的人便可知此事絕不可能，但也一時(shí)看不出其作弊的手段。這個(gè)人口才了得，在他的鼓動(dòng)之下，居然帶著永動(dòng)機(jī)游歷整個(gè)歐洲，每到一國(guó)還受到王室的接見(jiàn)，甚至還曾取得專利。后來(lái)他的仆人間拌嘴才泄露了天機(jī)，原來(lái)永動(dòng)機(jī)的下面有個(gè)暗箱，只須有人藏匿其中轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)條即可。 第一定律明確指出了能量是不能憑空產(chǎn)生的，但有些才智之士又突發(fā)奇想，第一定律不是指出能量和熱量可以相互轉(zhuǎn)換么，那好，我們可以從一個(gè)高溫物體不斷吸收出熱量并轉(zhuǎn)換成機(jī)械能做功，這不也是一種永動(dòng)機(jī)么，何況于第一定律并不矛盾呀。 其實(shí)當(dāng)蒸汽機(jī)不斷完善的時(shí)候人們就發(fā)現(xiàn)出這一個(gè)問(wèn)題，無(wú)論怎么潤(rùn)滑機(jī)件，減小摩擦，蒸汽機(jī)的效率提高到一定值之后就怎么也上不去了，換句話說(shuō)高溫物體釋放的熱量絕對(duì)不能完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這倒不能簡(jiǎn)單地推諉于摩擦，即便是摩擦力為零的情況也是如此，解決這個(gè)問(wèn)題就需要用到熱力學(xué)第二定律。 著名的物理學(xué)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并把熱量完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另一位物理學(xué)家開(kāi)爾聞勛爵的說(shuō)法更是簡(jiǎn)單明了：不能把熱量從低溫物體逆?zhèn)鞯礁邷匚矬w，后來(lái)證明這兩種說(shuō)法都是等同的。 隨后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(wú)法傳入的情況下，體系的熵值只會(huì)朝增加的方向移動(dòng)。 所謂熵值乃是表現(xiàn)體系的無(wú)序程度的物理量，熵值越大，體系便越是混亂離散。熵這個(gè)詞在當(dāng)今除了物理和化學(xué)等寥寥學(xué)科之外，很少再有人提及了，但在19世紀(jì)的歐洲的上層社會(huì)的交談中，你若不裝腔作勢(shì)地拼出這個(gè)字音來(lái)會(huì)被人視為鄙陋的。 起因還在克勞修斯，他得出熵增加的結(jié)論之后馬上就推廣到宇宙空間，整個(gè)宇宙不也可視為一個(gè)封閉系統(tǒng)么，那么宇宙的前景是可想而知的，熵值無(wú)限增加，最后到一個(gè)極大值，此后宇宙各處的溫度都等同了起來(lái)，便處于一種永恒的死寂狀態(tài)。他寫下這篇論文時(shí)的筆調(diào)很是憂郁，似乎宇宙的末日并不為遠(yuǎn)。 克勞修斯的文章震動(dòng)了整個(gè)社會(huì)，當(dāng)時(shí)西方各國(guó)的社會(huì)正處于上升的黃金階段，機(jī)械大工業(yè)已初見(jiàn)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(lái)。 末世的到來(lái)圣經(jīng)里不是沒(méi)有，那也只是觸怒上帝的報(bào)復(fù)，再說(shuō)那時(shí)人們已大多傾信于科學(xué)，于天主的警告未必放在心上，然而正是科學(xué)家作出這等慘淡的預(yù)言，不由得不信，一般小民未必會(huì)在意這世界的結(jié)局如何，但哲學(xué)家們卻非要爭(zhēng)出個(gè)是非不可，受其影響，那個(gè)時(shí)期的文學(xué)也是悲觀主義盛行一時(shí)，無(wú)病呻吟的詩(shī)歌也處處可見(jiàn)，神學(xué)家又得意地站了出來(lái)"如何，末日終有到來(lái)之日，這可是上帝的懲罰，還不投入天主的懷抱，請(qǐng)求寬恕？" 實(shí)際上宇宙的熱寂說(shuō)本不足為信，第二定律簡(jiǎn)單地推廣到整個(gè)宇宙空間未必適用，何況我們還無(wú)法說(shuō)出宇宙的邊界究竟是怎樣的情況。至于那些耗散到太空去的熱究竟到哪里去了，究竟又是怎樣集結(jié)起來(lái)的，這期間牽涉到怎樣的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，當(dāng)時(shí)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(jì)的新宇宙學(xué)發(fā)展之后，才能給出答案。 熱力學(xué)第三定理最簡(jiǎn)單的表述是：絕對(duì)零度可以無(wú)限接近，但永遠(yuǎn)都不能真正達(dá)到。我們知道，物理學(xué)家開(kāi)爾文曾經(jīng)制定過(guò)一套熱力學(xué)溫標(biāo)，與攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)不同的是，它規(guī)定的世界上的最低溫度是絕對(duì)零度，換順換算成攝氏溫度是-273.16度。 第三定律是在對(duì)低溫進(jìn)行時(shí)由德國(guó)的物理化學(xué)家能斯脫提出的，沿著這條路走下去到二十世紀(jì)低溫物理學(xué)便發(fā)展成物理學(xué)中門類最是龐大的一支--凝聚態(tài)物理，八十年代紅極一時(shí)的超導(dǎo)也是系出此門。 熱學(xué)的另一支統(tǒng)計(jì)力學(xué)走的與熱力學(xué)全然不是一條路，它是建立在分子運(yùn)動(dòng)論和數(shù)學(xué)上一大分支概率論基礎(chǔ)之上的。 分子學(xué)說(shuō)自從古希臘的德謨克里特以來(lái)沉寂了千年之久，直到近世才被大化學(xué)家道爾頓從故紙堆中翻了出來(lái)，而概率論來(lái)歷更是古怪，最初居然是大數(shù)學(xué)家傅立葉從賭場(chǎng)中獲得的靈感。這樣的兩種理論結(jié)合在一起，又沒(méi)有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)支撐，人們?cè)瓉?lái)是不抱什么希望的。孰料天下盡多蹊蹺之事，統(tǒng)計(jì)力學(xué)輕易就推導(dǎo)出熱力學(xué)三大定律，而且前提只有一條：承認(rèn)每個(gè)分子在各種不同的物理狀態(tài)中是等幾率分布的。 這樣一來(lái)熱力學(xué)給出的是宏觀上的現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)力學(xué)解釋的是微觀上的機(jī)理，二者實(shí)是殊途同歸。其實(shí)統(tǒng)計(jì)力學(xué)最大的意義并不在于把熱學(xué)重新解釋了一遍，而是第一次把概率論的觀點(diǎn)引入了物理學(xué)中，這在二十世紀(jì)物理學(xué)的革命中起了極端重要的作用，到今天每個(gè)物理學(xué)家都能真切地認(rèn)識(shí)到：我們這個(gè)世界是建立在概率基礎(chǔ)上的。 |
|
|
來(lái)自： 誤入城市 > 《最可愛(ài)的物理學(xué)界》
