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志勰


    一、  温度概念描述的意义

       温度的概念对于人们来说并不陌生,但通常人们只是将它作为物质的某种属性之一。温度的概念来源于人们对外界物质世界的感觉,通常表示外界物质本身属性的某种存在状态。使温度概念得以较为精确表述的是分子运动论在热学领域的建立,这样就将物质的整体存在状态化归到物质的小分子间的运动形式的整体组合中。同时,也给温度的概念赋予了新的含义。但是,这种将温度的属性化归到物质运动的本身,并没有改变人们对温度的观念。现在人们对温度的看法仍然脱离不开物质本身属性的范畴,(温度虽然在科学中得到一个确切的定义方法,但是人们日常生活中的习惯与分子的运动完全是两个世界)不仅仅是在人们的生活中,在科学中也是如此。

    温度在科学中的概念没有划归到物质运动最直接的形式,是因为传统物理科学体系中温度和其它物理概念间存在的逻辑关系。物理概念在整个科学体系中不是孤立的,而是相互间存在连带关系。一种物理概念的改变,必然伴随相关科学概念间的定义存在相应的改变。几百年来,科学一直是在继承性的发展,即使到今天,我们所接受的物理科学体系也是建立在前人所论证的基础上。

    和温度概念直接相关联的物理概念是能量的概念。尤其是分子运动论的建立,加剧了温度和能量间的联系。自从一个半世纪以来由于工业革命所带来的对化学能源的使用加剧,也同时加剧了化学能源和机械动力间的关系,其中温度就在这期间担当了一个非常重要的角色;即能源和动力间的转换。这一领域在一个半世纪以前就开始了,比较有名的是焦耳先生所作的证明机械能和热能间转换关系的焦耳试验。

    请允许我插入一点关于人们对热的看法的历史。

    在焦耳先生证明机械能和热能间具有确定转化关系以前,热能和机械能间的关系是完全分立的,温度和热也是不能分清的概念。甚至当时的人们将热的概念作为具有和物质相似属性的类似的东西来看待,即所谓的热质学说。这一点足可见当时人们对于温度和热之间的关系的状况。甚至在卡诺先生在建立卡诺定理的同时,在它的理论中所引用的说明这一定理的概念,对能量概念所采用的关系就是能量是一种质的关系,当然,能量守恒定律在现代科学中至今一直担当这样的角色。我所想说明的是,卡诺先生的时代能量的概念和现今的能量的概念是不同的,热的本性所担当的脚色也是不同的。这里的区别在于:卡诺先生的时代热是以质的形式存在,而现今的热却是还原于物质的运动。其次,能量的概念也存在不同:主要表现于在物质的运动形式上,卡诺先生时代能量的概念还比较单一,能量就是使物质运动的东西。现今的能量概念,由于科学向微观物质世界的发展,尤其是场的理论以及对物质深入到基本粒子的层次,能量已经趋向于支配物质世界(或者说宇宙)物质存在状态间相互转化的数理关系,它并没有物质质的确定的存在形式。

    另一个有趣的话题是能量守恒定律的建立,这主要是焦耳时代的科学家对不同能量间的相互转化关系的确定。和温度存在直接关系的物理过程很多,比较重要的关系除了焦耳先生所证明的机械能和热能间的转换关系之外,电学中的焦耳定律、热学中的卡诺定理,甚至其概念产生于此之前的比热溶的概念,以及在此之后用于确定分子间化学能和热能之间的对应关系等,都说明了热在近代物理概念中的位置。虽然不是由于热的概念去直接推动近代科学的革命,但是没有热与精确的能量间的关系,能量守恒定律就不会确立。尽管这一热的概念存在问题。

   直到今天,对于热的概念,在传统的物理体系中我们除了热是物质的一种基本属性,表示物体的冷热程度,和气体分子的热能成正比之外,在科学的概念中并没有建立精确的热与物质分子运动状态的关系。首先从描述方式上,它所指明的仅是物质的某种存在状态,比如:我们对太阳的描述,太阳表面的温度在6000度左右,或者太阳内部的温度为几百万度。这样的描述,是将温度作为物质的属性描述的方式。虽然作为生活中的人们容易理解,但是对于科学来说,笼统的泛指物质的某种状态,对于描述物质的实体是不够的。

    在传统物理学中,对于温度与物质分子存在状态的关系是采用动能来定义的。温度与物质的分子的平均运动速度的平方成正比。但是,对于温度的传统计量方法,却不是采用分子的运动速度来定量的。这对于将物质的存在状态的描述归于物质的运动,这是不够的。虽然在传统物理学中存在对物质温度和物质分子运动状态的定义方法,但是在科学中我们却没有采用这一确定物质存在状态的模式,而是采用笼统的表示方法。在这种意义上来说,温度存在缺陷。

    今天,我们对物质属性的探讨已经推进到了一个前人所无法想象到的程度,对于物质的温度已经到了绝对零度以下多少次方数量级的程度,常规的定义体系能否胜任,依赖于我们所采用的描述体系能否适合对物理领域的描述。

  二、温度概念的局限性

        在普通的日常生活中,由于生命所生存的环境是很苛刻的,人体所直接接触的物质存在模式是狭窄的。(人类所生存的环境在摄氏零下几十度到零上几十度之间。)但是不同物质存在状态又给人类带来不同物质存在状态的信息,有些我们是永远不能用人体所可以感受的,比如太阳内部。对于这种环境,我们只能根据常规的物质理论去进行推测。其中温度的概念是人类根据自己的感受所进行的感觉定义(物理简明辞典中是大概这样定义的。温度,物体冷热的程度)至少到目前为止,这种定义在属于科学的范畴中也是这样的,(这一结论是根据物理大学课本对物质存在状态的描述,指明物质的存在状态是温度多少度,而不是指明物质微观分子运动状态)比如,在关于宇宙的大爆炸理论中,一些科普读物是这样介绍的,在宇宙起点爆炸的多少秒,宇宙的温度为多少度,而不是说宇宙大爆炸的多少秒,物质的个体存在状态为多少速度/秒。温度只是人们对外界的感觉得出的概念,它并不是用于表述所有物质存在状态的描述。

   我们采用动能的定义,显然用于对物质温度的普适性描述是存在困难的。尤其是在人类对物质世界深入到基本粒子的层次,我们不能描述单个粒子的温度,如果它不对外存在作用。如果它对外提供相互作用,比如将它的能量(沿用传统物理学中的概念)作用于另外一个粒子,我们发现,我们不能采用温度的概念对这一物理事实进行描述,如果两个粒子的质量存在不同,粒子间的相互碰撞虽然遵守能量转化和守恒定律(常规动能能量与机械运动状态间的定义,也只对两种能量模式的定义关系),但是我们却不能处理两个粒子的温度定义问题,因为碰撞过程中,粒子间的速度会存在变化,有可能使粒子的速度成倍的提高,当然,另一个粒子的动量减少。根据动能和温度的关系,一个粒子的温度会提高几倍。这应用于可燃物质的燃点和熔点等,显然和事实不符。

    另一方面,人类在向低温领域进军的过程中,已经获得了很大的收获,我们现在已经进入开氏10的负7次方以下的领域。低温的应用技术方面,也正在进入一个可喜的畅想之中。但是,我们是否考虑过这样一个问题,温度的定义与我们对低温探索的主体是否适合。采用常规的定义体系是否合理。

    对温度的探索,从日常生活中我们对自然界物体的冷热的感觉,一直到16世纪我们采用气体和温度间的关系来对物质冷热程度进行判定,我们都毫不怀疑温度的定义具有普适性。现在,我们采用电阻、光感、半导体等等技术手段对物质的温度进行测定,温度与物质存在状态的属性已经成为非常重要的关系之一,我认为,探讨温度概念的使用范围仍然是有必要的,这不仅仅是在传统的描述体系中存在描述上的困难。现在,在实用性的方面可描述的范围进行适应性的修改,已经远远不够了。我们是否怀疑过,微观物质在物质分子震动状态的存在状态上,稍有一点微小的差别,比如;原子的震动速度,我们若采用一分子或原子在空间上的位移来计量,其空间位移10的负8次方每秒和10的负7次方每秒的差别。在温度上会有什么样的区别,并且具有什么意义。温度在对宏观的大量分子间对外相互作用的描述上,建立温度概念的描述,是很方便的,但是,对于相对于空间位移几乎静止的物质状态,去探讨温度的意义是否还有其存在的价值。

    研究事物必然有其研究的对象,温度的意义呢?其对象的状态呢?在某种意义上来说,我们传统中所赋予的物质温度的概念,其本体是什么呢?

    研究大量分子间的存在状态,在传统中有另一种描述方法,即:热力学的描述方法,常采用熵的概念进行描述。那么,温度的位置呢?或者温度在科学中是否还有它的存在价值?

三、温度的概念

    虽然温度来源于我们对物质温度的感觉,这起因于微观物质的运动所给与我们感官的作用。对于物体、气体,近代物理科学的发展已经告诉我们,这种温度的感觉来源于物质分子给与我们感官碰撞的作用,温度高于我们感官的物体,其给与我们热的感觉,这来源于较热的物体对外的辐射而给与外界物质的较强的相互作用。那么,这样我们将温度的概念赋予物质运动变化的本身,是符合物质运动变化的规律的,同时,对外界物质的温度现象是吻合的。

    常规物理体系中,通常将温度的概念和物体分子的动能联系起来 ,认为物质的温度和分子的动能成正比。这样解释是很难合乎逻辑的。不可信的一种逻辑原因如下:

    首先,我们没有理由怀疑牛顿第三定律,即:作用力和反作用力定律,在物质相互作用过程中,作用力必然大小相等、方向相反。不同质量的分子,在同一温度下如果动能相同,则动量必然不同。如果混合在一起,经过一段时间的碰撞后,两种分子的温度我们将不好判断它们的温度。这是因为,在不同质量的分子碰撞过程中,不管分子最初的运动状态如何,混合以后,两种不同分子的运动状态将趋向于平均动量相等。这一点是由牛顿第三运动定律决定的,那么,动能相同的两种不同质量的分子,(1/2)mv2作为动能的形式,其质量大的分子其动量必然要大于质量小的分子的动量。这样两种分子混合以后,由于必须遵守作用力反作用力的规律,动能较大的分子,在两种分子混合后其动能必然增加,或者说其当量温度相对来说要高。这样我们就可以得出一个结论,可燃气体如果和质量比它大的分子混合,其燃点温度必然降低,反之,其燃点温度数值必然要增加。这样的结论似乎还没有出现,虽然两种气体分子在混合后燃点会发生变化,形成这种固定的规律似乎还没有。如果动能和温度间的关系正确,那么这种推论也应该成立。

    另一方面,我们如何去定义混合气体的温度与分子运动速度的关系,我们不能采用平均动能的方式去定义,这是因为,混合后的气体在碰撞一段时间以后,两种分子的平均动量会趋向于相等,质量较轻的气体分子其动能会大于质量较重的气体分子的动能,这样,根据动能和分子运动速度的关系,我们该如何确定它们之间的关系呢?

    如果将温度的概念归因于物质的运动本身,对于同一物体,一个确定的温度必然对应予一确定的物质存在状态并表现在微观物质分子运动的本身。如果运动状态采用运动来衡量的话,(为了便于说明问题,这里我采用气体来说明)那么,微观物质运动最大的区别就在于物质分子的平均速度,一个确定的温度必然对应与物质微观分子确定的平均运动速度。科学已经确定,气体分子是通过运动中不断的碰撞来实现气体分子在空间中的分布规律。如果气体的温度和气体分子的平均动能成正比,那么在碰撞过程中质量不同的分子通过碰撞后其动量交换也不同,但是碰撞动量交换的结果是两种不同的分子其平均动量趋向于相等。采用动能和温度成正比的关系不能处理这一问题。

    如果我们考虑两个分子质量不同的物体,或者一种气体分子和固体间在温度相同时的能量间的交换状态,如果气体分子的质量远大于固体分子间的质量,或者气体分子的质量远小于固体分子间的质量,那么,在温度相同时,气体和固体之间必然发生能量交换,其交换的结果是质量大的分子碰撞后其运动速度(或者震动速度)必然会降低,质量小的分子碰撞后其速度会增加,如果两种分子处于同一温度下,那么,能量就会发生定向的传递。很显然,这和日常生活中的事实不符。

    根据如上的分析,我们不难发现,传统物理学中的温度定义存在很大的问题。关于这一部分内容,您可以参阅机械运动能量体系中关于此的看法。

    一种比较不错的定义方法是采用物质分子的动量作为能量的单位,并定义,物质的温度和分子的运动速度成正比。这样的定义方法在物质运动的变化上处理问题,是很方便的。但是,仍然要提醒一点的是,这样的定义,能量守恒和转化定律必然要被放弃。

四、更改物质温度的定义对物质运动变化描述的影响

    物质温度的定义在常规科学中已经根深蒂固,常规的理论中已经将温度的定义确定在整个物理体系中。更改温度的定义会存在相关科学的结构方法存在变化。

    首先影响最大的是物理本身,这将结束常规物质的一种基本属性,我们将不能采用温度定义的方法对科学一些特定的领域进行描述,比如,描述太阳的温度,我们不能用这样的语言来描述:太阳核心的温度是多少度。再比如对宇宙大爆炸初期的描述,宇宙大爆炸几秒后,温度达到多少多少。不能描述没有物质存在的空间的温度,同样也不能描述孤立粒子的温度。而换之的是对物质存在状态的描述。

    影响其次的是化学,我们知道,由于传统的能量定义体系,化学和物理是分开的两个科学体系,化学的描述方法仅用于不同化学物质间的转化,即使现今的量子论,对化学的描述仍然是分开的两个科学系统。从逻辑上来说,不论是化学,还是物理,所描述的对象是统一同一的物质,我们没有理由确定两个科学体系的方法是决然不同的,物理应该包含化学,换句话说,采用物理的方法同样适用于化学的描述,如;解释化学反应过程,解释不同化学物质间的属性。从物理的角度解释化学结构规律。

    虽然从量子论诞生的那一天开始,量子论的开创者们就已经开始对量子论扩展到化学的领域做了非常出色的工作,比如轨道理论、不相容原理等用于解释化学的规律,但是由于能量的结构体系是采用能量守恒和转化定律的形式,从而对物质运动变化的关系建立等量关系,这样,就忽略了物质运动变化间真实的相互作用规律,量子论的统一,在物质运动变化的道理上来说,即:物理上来说,不是真实的物理关系,而是赋予物质运动变化间数理的逻辑关系。量子论所探讨的不是物质运动变化的本身,而是纯粹的物理理论与实践的数量关系的对应,站在这样的角度,量子论不能解决微观物质间的真实。

    沿着现代物理科学的方向,我们很难看到下一步物理科学进一步向前发展的前景,虽然现代物理科学已经获得了非常巨大的成就。

    温度的概念回归与物质的本身,会建立物质间真实的相互作用途径,在这个意义上来说,化学将属于物理的一部分,虽然我们还没有看到采用何种方法去解释化学的规律,也许元素周期律将是物理中的一个重大问题。

2000.4.6