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■李唐/文 在遥远的古代，在人类的理性初步开始抽象这个世界规律的时代，“热”的概念便已在我们祖先的理论体系中刻下了深深的印记。在那时，人们更倾向于谈论近乎神圣的火，它带给我们关于“热”最直观的体验，也照亮了人类文明的前途。火的利用可以说是人类第二种获取能量的方式，将大自然积累的化学能以热的形式释放出来。从这点来说，普罗米修斯的功绩是值得称颂的。 在古中国的易学体系中，“火”便作为世间万物的五大属性（即“五行”）之一，参与到宇宙的阴阳变化之中；而古希腊的智者也提出世界是由“水、火、土、气”四种基本元素组成的，赫拉克利特更是认为“世界就是一团‘永恒的活火’”，“火”象征着运动和转化。 人类自诞生之日起就在思考如何获取能量，这便是热学最初的形式。随着近代科学的崛起，热学变得更为严谨、可靠，直至成为经典物理学四大基石之一。在这里，我不打算告诉读者“热学是什么”，因为这等于提前透露了我们接下来的旅程。我更希望在结束时，读者们能自己体会热之世界的丰富与广泛。 热机与工业革命 在18世纪，随着机械工程技术的进步，蒸汽机——这一将热直接转化为生产力的伟大发明，诞生了。随之而来的工业革命，开创了一个新的时代。 蒸汽机是典型的热机。首先作为循环物质的水被锅炉加热变成高压蒸汽，然后进入气缸推动活塞；产生的低压蒸汽被冷凝器降温又变为水，参与到下一个循环过程中。水作为媒质将热源的部分热量运输、转化，从而使活塞运动。然而，人们只知道如何制造和使用蒸汽机，却没有关于热机的普适理论，热机的效率问题一直难以解决。这引起了法国人卡诺的兴趣。
卡诺摒弃了个别热机中的杂质因素，通过对本质的研究，构造出了一种理想模型——卡诺热机。其循环分为四个过程：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩。就像从高处流向低处的水流能推动水车一样，卡诺热机在循环过程中只与两个温度不同的热源接触（如锅炉和冷凝器），这样才能降低损耗，拥有最高的效率。如果用理想气体作为循环物质，则效率仅与两个热源的温度有关。 ? 能量是守恒的吗？ 1840年，德国医生迈尔随船队来到印度尼西亚。在一次为船员进行放血治疗时，他发现与在德国情况不同的是，病人静脉中的血仍是鲜红的。于是迈尔推测：这里天气炎热，人体不需要消耗大量的氧气来维持体温，所以静脉血液中的氧含量较高，呈鲜红色，不再发黑。但是，人体保持体温所需的热量从何而来呢？最可能的便是食物。而无论是肉类或蔬菜，最终都来自于植物，它们依赖太阳光而生长。迈尔最终提出：能量是不断转化的。然而，新的思想总是难以被认可，迈尔最后在一连串的打击下精神错乱。 后来，英国人焦耳迈出了决定性的一步。他利用精确的实验得到了热与功的定量关系，为能量守恒定律的论证打下了坚实的基础。亥姆霍兹给出了不同形式能量间转化的数学表达式。至此，能量守恒定律得以完成，成为物理学的基石之一。这也就是热力学第一定律。 物理学家总是热衷于寻找守恒量。每个守恒量的发现都能或多或少地加强我们对于相关因果性的理解，并根据诺特定理，引入一种全新的对称性。比如说由于运动定律对于空间转动的不变性，我们得到某些条件下角动量的守恒律；芭蕾舞演员在旋转时通过收缩手臂来提高转速，正是利用了角动量的守恒性。而能量守恒也是时间平移对称性的体现。 熵与原子斗士 在牛顿运动定律被奉为权威的时代，我们描述的是一个机械的、可逆的世界。当你用手将一个小球向上垂直抛起（忽略空气阻力），小球在最高点时速度变为零。如果将这一过程拍下来倒放，你会看到一个小球由静止从高处落到手中；这在现实中也是完全可能的，因而是可逆的。值得注意的是，这个逆过程是完全自发的，我们并没有从外界用绳子强迫小球做这样的运动。倘若你将一个杯子打碎了，那只能请工匠来帮忙复原；在你有限的生命内，是不可能看到所有的碎片飞回到桌上重新组成一个完整的杯子。所以，这是一个不可逆的过程。 我们前面提到的卡诺循环正是一个可逆过程。后来，克劳修斯利用数学方法发现，在卡诺循环中存在着一个守恒量，并将其命名为熵。当他将该方法推广到其它循环过程中时，熵的重要性质显现了出来：对于可逆过程，熵的变化量为零；如果某过程是不可逆的，那么熵一定增加，而一个孤立系统的熵也一定是增大的。这便是被奉为热力学第二定律的熵增原理。 但是，“熵”究竟是什么？如果我们不理解其在物理世界中的实在意义，那它仅仅是一个胡塞尔所谓的“不清晰”的观念而已。玻尔兹曼认识到，熵的增加其实体现了微观粒子无序性的增长，系统的演化也是趋向于大概率状态，并在“最可能状态”附近涨落。当你将一杯水放到密闭的盒子里，一段时间后最可能发生的便是水分子以气态弥漫于盒中，而不是像小动物一样龟缩在一角，否则霍金便不会想用枪打死薛定谔的猫了，谁知道猫会不会突然活过来呢？ 玻尔兹曼一生笃信着物质的实在，是坚定的原子论者，并与“唯能论”的代表奥斯特瓦尔德进行了多年的论战。他的物理思想催生了量子论，堪称苏格拉底式的助产术，至今依然引导着部分物理学前进的方向。 演化之始 经典的热力学往往关注于系统在平衡态或接近平衡态时的温度、压强等状态。这时的情况就好像是有块山谷里的石头，你不大用力地将它推上山坡，它总会回到谷底。系统的态是相对稳定的，总是在平衡态附近涨落。但是，像生命等复杂而有序的系统如何产生呢？根据玻尔兹曼的理论，这类低概率的结构几乎是不可能产生的！你也“不应该”坐在这儿看这篇文章。 古希腊的伊壁鸠鲁认为，在万物诞生前，原子间彼此保持着相同的距离，像雨滴一样垂直下落。有一个原子发生了某种倾斜，与另一个原子相碰，从而产生一系列碰撞形成原子团，这些原子团就是我们人类和世界。也许从部分意义上来说，他是对的。 在远离平衡态的区域，某些具有特定条件的系统不再对涨落具有“免疫力”，微小的扰动也会被放大，强迫系统进行演化。就像是山顶的石头，只要轻轻一推，便会滚下山坡。在一些化学反应中，如果控制好反应物和生成物的流入与流出，并且关键组分的扩散速度差别较大，就能使各组分的空间分布呈现出周期性变化，而某些样式却取决于反应中微小的涨落。比如说像贝鲁索夫—扎鲍廷斯基反应（即B-Z反应），你会看到反应器中不断出现美丽的波状图案，这便是典型的图灵结构。在三分子模型（也叫布鲁塞尔器）中，生成的分子可以作为催化剂加速自身的反应，也就是自催化。反应的颜色可能像信号灯一样红了又绿，绿了又红。普利高津将它们称为耗散结构。一面是对流入能量的消耗，一面是所形成结构的有序。我们看到，非平衡的混沌也可以成为有序之源。 耗散结构从某种意义上解释了生命等高度有序结构的诞生。分子往往会自我组织起来，形成蛋白质等大分子，甚至是超分子。但是，这种自组织需要信息来告诉它们如何组装。也许正像普利高津所说的那样，“耗散结构很可能为通信引入了一种最简单的物理机制”。柏格森曾写道：“进化中的有机创造现象形成了生命”，其原动力便是生命冲动；从这个角度来说，耗散结构体现了大自然进化的意志。 “热”的宇宙与时间之矢 当我们把目光转移到宇宙学时，黑洞也许是个不错的话题。原来人们认为它的性质十分简单，是“无毛”的。然而，黑洞隐匿着极端的混乱；在等大的物理系统中，黑洞拥有最高的熵。霍金和贝肯斯坦发现，黑洞的熵正比于它的表面积。这意味着，边界与其内部的熵有内在的联系。后来，特霍夫特和萨斯金提出，我们的三维世界很可能是来自于遥远二维边界表面的投影；这是惊人的想法！马达西纳则提供了一定的数学证明。 信息论的创始人香农发现，信息越多，不确定度越少。也就是说，信息在某种程度上与熵是等价的。物质的实在性现在正接受着信息的挑战，说不定这个世界就是一张全息图。 海德格尔曾强调时间对于存在的重要意义。显而易见的是，时间是不可逆的，这是一种对称性的破缺。越来越多的证据表明，熵是打破对称性的关键因素。维纳在他的《控制论》中这样写道：“能够和我们通信的任何世界，其时间方向与我们相同。”熵筑起了高不可攀的壁垒，将我们回到过去的梦想囚禁起来。 也许在不远的将来，我们能将熵垒置于物理学定律的根基中，改变自牛顿以来物理方程中时间的对称性，将这种不可逆性实实在在地描述出来。可以肯定的是，对“热”理解的深入，将使我们在完成爱因斯坦大统一遗梦的道路上前进一大步。 |
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