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什么东西是热?

19世纪中叶,物理学家们还认为,热是一种流体,叫做“热质”,或者是两种流体,一冷一热。这种想法被证明是错误的。最终,英国的物理学家麦克斯韦和奥地利物理学家玻尔兹曼,发现了热的本质。

他们发现,一个发热的物体,之所以发热,完全是因为他体内的原子运动的速度更快。所以,冷空气之所以冷,是因为他的原子(或者说分子)跑得比较慢,而热空气之所以热是因为空气中的分子跑得比较快!

为什么有绝对零度?时间的流动居然源自于热?

分子热运动

这就解释了我们的好奇,为什么宇宙中,最高的温度可以达到十亿,甚至数十万亿摄氏度,而最低的温度,却仅仅只有-273.15℃?因为冷的物体中,原子跑得比较慢,如果慢到一定程度,所有的原子动能为0,再也不做随机运动,这时候温度就有了一个最低值!即绝对零度!

为什么绝对零度不可能被达到呢!因为我们即使凭经验也知道,热量总是从热的物体跑到冷的物体上的。一旦有物体达到绝对零度,一定会有更热的物体给他传送热量,让他高于这个温度。所以绝对零度可以无限被接近,但永远不可能达到。

那这里就出现了一个问题,为什么热量总会从热的物体自动的跑到冷的物体上呢?

这是一个非常关键的问题,因为他可能涉及到时间流动的本质。我们对于时间的认知,是他有着“过去”和“未来”,而且永远朝着一个方向往前走。但如果不发生热交换,会发生什么呢?我们会看到的“现在”和“未来”将会是一模一样的。举个例子,一个钟摆,如果没有摩擦,这个钟摆可以一直摆动下去,如果我把这个摆动给录下来,不论是正着播放,还是倒着播放,我们是完全看不出来,是谁在前、谁在后的。这个时候,我们能分的清过去和未来么?但是一旦出现摩擦,有了热交换,一切都不一样了,钟摆会微微加热底座,损失了能量,速度也会减慢。我们就能很清楚的去辨别现在和过去。

为什么有绝对零度?时间的流动居然源自于热?

时间之箭

换句话来说,只有存在热交换,过去和未来才有意义。

可问题来了!为什么热量会从热的物体,跑到冷的物体上呢?玻尔兹曼发现了其中的原因,这个原因让我们大跌眼镜:这完全是随机的。因为从学的角度上看,一个快速运动的原子,更容易撞上一个冷的原子,而冷的原子更难撞上热的原子。在这种情况下, 能量更倾向于平均分布。(看到这段话,是不是有些眼熟?没错,不久之后,伟大的克劳修斯就提出了“熵”)。所以,这完全是个概率问题!

可!等等!概率?你居然说概率?那个时代的物理学,追求的都是优美,都是确定性的理论。我们可以通过优美的牛顿定律,计算出星系的运动;可以通过麦克斯韦的方程组,知道磁场电场的流向!可轮到热的时候,一切确定的推导都没有,只有概率?概率是个什么鬼?

将“概率”引入物理学的核心,直接用他来解释热动力学的基础,这一做法起初被认为荒谬之极。1906年9月5日,玻尔兹曼在里亚斯特的杜伊诺镇附近自缢而亡,到死都没有等来自己理论被认可的那一天。为什么有绝对零度?时间的流动居然源自于热?

上帝不掷骰子

其实,这个概率的引入,是源自于我们人类对于世界的无知。什么意思呢?举个例子,爱因斯坦有一句很有名的话“上帝不掷骰子”。为什么这么说呢?因为上帝掷骰子跟人掷骰子完全不一样。如果上帝掷骰子,在出手的那一瞬间,上帝就知道骰子的起始速度,旋转的方向,空气的阻力,地球的自转,甚至空气湿度对结果的影响。这些数值上帝都知道并且能够精确的运算,所以在出手的那一瞬间,结果就已经确定了。可人掷骰子不一样,这个信息我们无法得知,只能通过概率的来计算“6点”朝上的概率大概是1/6。所以热力学也是,从概率上来说,原子碰撞时,热量从热的物体到冷的物体,比从冷的物体到热的物体,概率大的多。而且随着时间的推移,热量更倾向于平均分布。

那么我们清楚了,原子无规则运动,让我们了解到了“热”的本质。“概率”让我们了解到了“热交换”的本质。而热交换能够让我们明确时间的“过去”和“未来”,了解了“时间流动”的本质。

可“时间的本质“是什么?这个谁都不好作答,只能靠伟大的科学家们,继续上下而求索。

  

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