“热”究竟是什么?

作者: 潘羿 来源: 无主界 编辑: 10月7日
所属分类:日常美文

某天,笔者在被窝里思考傻梁@Liang真是傻得可爱的时候,突然某种“神秘力量”问了我一个问题:“热是什么?”

物体的温度

本来已经睡眼惺忪的笔者,忽然来了精神。对啊,“热”是什么?通过对自己已有基础知识的回忆,笔者很自然的给出了“物体的温度是多少”的结论。但笔者很快否定了自己。因为这种“物体的温度是多少”的结论根本没有任何意义。它并没有实际解释“热”的含义,这只是利用了一个衡量热的单位解释了热的本质。这种解释的实质更像是一种文字游戏,一种自我论证。

分子的不规则运动

于是乎笔者想到了来自中学的知识,其中最为简单的解释便是热是来自于分子的不规则运动。当然在描述的准确性上,这里的“热”更加应该称之为内能。分子运动的越剧烈,内能越大,反之亦然。

“热”究竟是什么?

到了这一步,我们已经从宏观描述热的方式转到了微观热产生的原因。似乎至此,这种的解释已经可以被接受了。但真的是这样吗?并不是。如果仔细想一想,这种解释和之前的解释是没什么区别的。我们不妨问个问题:“为什么分子的不规则的运动导致了热的产生?”

热传导、热辐射、热对流

上述问题使我们知道,我们依然没有解释什么是“热”。要回答该问题,笔者很自然的想到能否从热的传递方式中找到热产生的原因。于是笔者罗列了热的传递方式:热传导、热辐射、热对流。

这三者我们能得到很多关于热的知识。首先,热传导是指当不同物体之间或同一物体内部存在温度差时,就会通过物体内部分子、原子和电子的微观振动、位移和相互碰撞而发生能量传递现象。这让我们知道,热本身确实是一种分子的无规则运动,这种运动会通过上述的几种方式进行传递。那么,反之若我们人为的隔断传递的途径,比如让物体周围真空,使热传导没法进行,那么自然也起到了“保温”的作用,现实中的例子便是各种真空杯。

“热”究竟是什么?

其次,热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。其现实应用就是保温杯内胆镀银反射热辐射实现保温的作用。这就很有意思了,从上面的热传导看是分子的无规则运动,而这边的热辐射居然把热定义成了辐射的电磁波。难道热的本身是有两种产生途径吗?

电磁波

并不是。我们通过上面对热传递不完全的描述知道了,热本身似乎有两个属性,一个是我们还未解决的疑惑——分子的无规则运动,另一个是热产生的辐射。笔者在这里想说,其实笔者不小心把大家带入了一个思维陷阱,分子的无规则运动于热辐射并不是并列关系,而是分子的无规则运动是导致热辐射的原因之一。

“热”究竟是什么?

所以,热是电磁波,是分子无规则运动产生的电磁波。也就是说,分子无规则运动导致了电磁波产生,进而导致了热。有此结论,似乎我们再一次了解了热是什么。但笔者相信,各位读者会问接下来的问题:“为什么分子不规则运动产生了电磁波?”

电子跃迁

原来,分子在运动时会相互碰撞,这便激活一些分子的表层电子,这些电子进入了不稳定状态,也就是激发态,这个过程就是电子跃迁。当电子从跃迁后的能级返回到低能级时,便会发出能量,这些能量是以电磁波的形式向外发射的。这类跃迁能量并不大,以波长较长的红外光的形式发射,也就是我们所说的热辐射。值得注意的是,这里的辐射方式并不是热的全部形式。

这使我们明白一个道理。在现实生活中,手机、Wi-Fi、基站产生的也是电磁波,我们可以不负责任的认为这也是一种“热辐射”,只是这种“热”的波长更长而已。因此像一些手机辐射致癌、Wi-Fi信号晚上要关闭等结论,笔者觉得实在有些无稽之谈。

“热”究竟是什么?

现在,我们似乎又更加接近“热”是什么了。虽然分子碰撞导致的电子跃迁并不是热的全部形式,但是我们能知道的是,电子跃迁可以导致热的产生。得到这样的结论,笔者相信,各位细想定会问接下来的问题:“为什么电子跃迁能产生电磁波?”

量子场论

我们终于到了这一步,我们要开始研究物理学的前沿——量子力学了。

笔者得承认,以笔者现在知识的积累,要想从量子场论角度解释清楚这类现象实在有些强人所难。

“热”究竟是什么?

笔者在这里就简单的给出了笔者认为较为靠谱的解释:在电子跃迁时,电荷分布是震荡的。例如氢基1S态波函数是f(r),2P波函数是g(r)cos(theta),两者都不具有电偶极矩,但是一叠加就会形成f(r)+g(r)cos(theta),这时电子分布得一边多一边少,具有电偶极矩。在跃迁过程中,电子就处在变化的叠加态中,也就是有震荡的偶极矩。所以这个跃迁也叫电偶极子跃迁。电偶极子跃迁是原子或原子核发射或吸收光子过程中最重要的一种跃迁。当然,另外还有磁偶极跃迁以及4极跃迁8极跃迁之类的。

从描述中,我们知道,“热”是一种场,是一种波,也是光子本身。这似乎已经到达了我们所能探索的最深处。悲哀的是,笔者相信,你我都明白,我们最终还是没能解释“热”究竟是什么。

现象思考

仔细思索,我们对于“热”探索的整个过程其实很具有代表性。每一次的成功解释带来了更多的问题,而解决这些问题的方法则给社会带来了很大的发展。

但对于我们个体而言。现今社会的教育更多偏向于应用学科。比如对于热的应用中有化学的熵、焓等,这能使我们很好的利用“热”本身的性质,但于此同时也限制了我们的视野,在不知不觉中形成了对事物的固有认知。对于这些认知,就如笔者所言只是一个现象解释另一个现象,根本不是事物的本质。

“热”究竟是什么?

出现这种情况,笔者觉得在情理之中。笔者对人的主观能动性持悲观态度,笔者认为人是没有任何想象力的。在没有观察到事物时,我们没有办法发现任何新的结论。也就是意识的绝对物质性。对于处于现代社会的我们,虽然面临着观察的极限,但同时由上述原因,观察本身的累积也已经达到了一定的高度;加之社会对快速应用观察的需求,这便使得我们容易迷失在观察与结论之间。

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