量子物理像魔法？或許熱力學更像

熱力學Thermodynamics

沸騰的水

撰文：Chad Orzel | 編譯：二宗主

許多量子現象經常被描繪得像魔法一樣，只要我們多花點的時間來思考這些問題就能知道它們當然不是。量子現象的確是奇異的，因為它們往往與我們日常直覺相違背，但是它們非常自然地遵循一些簡單規則的應用。對量子物理更深入的理解並不會削弱它的驚艷感，但卻能減少一點神秘感。

其實，物理學中的熱力學則有著相反的特徵，越了解覺得它越神秘，至少在最開始是這樣。這種神奇的感覺始自己開始關注水沸騰的過程，再因了解背後的物理原理。它包含的量子內容非常少，有的只是多到無法想像的粒子以幾乎經典力學的方式相互作用著。

在宏觀層面上，水的沸騰只是在相變時的一種表現：當加熱一個容器中的水時，它終究會達一個水從液體轉化為氣體的點。這涉及到一個能量消耗問題 ，如果你比較老派你會說這是「蒸發熱」，如果你想要更緊跟潮流也更正式的話可稱之為「汽化焓」，而這個過程中水與水蒸氣作為一個整體，溫度不會增加，直到所有的液體都變為蒸氣，這就是為什麼你可以玩在紙杯中燒水的小把戲。

水在紙質容器中用火加熱，水快速吸收熱量，使得紙制容器無法達到其著火點。|圖片來源： Science4fun

但是，如果你再往深處看，會發現還有更多事情在發生，整個故事也變得更有趣。水沸騰的標誌是肉眼可見還能發出聲音的冒泡泡：水不會瞬間從液體全部變成汽體，而是一點一點的慢慢地變。加熱也並不是完全均勻的，所以會存在一個又一個的「熱點」，在「熱點」上的液體已經發生相變成為氣體，而它們周圍的水卻還是液體。水的表面張力會使迅速形成一個圓形的氣泡浮出水面，然後破裂並釋放裡面的水蒸汽。想要準確地預測氣泡將在哪裡形成幾乎是不可能的，這也是使得一壺沸騰的水具有混沌特徵的原因。

有趣的是，超流體氦的形成就是一種完全相反的相變過程。首先我們需要將氦氣冷到非常低的溫度，大約4K的樣子，以使其處於液態狀，這個溫度還可以通過連接真空泵來減弱容器中的壓強被進一步降低。此時冷卻後的液體將繼續保持沸騰，「熱點」還是將液體轉變為蒸氣並形成氣泡，然後升至表面。這一現象一直持續直到溫度低至2.17K，到達這一溫度時，液體瞬間突然歸為平靜，這表明氦已經經歷了相變過程，成為超流體了。氣泡不會再形成，不是因為真空泵停止了運作，也不是因為液體停止蒸發，而是因為在超流相中熱導率過於巨大。沒有氣泡的原因是液體將熱量非常迅速地從一個地方轉移到另一個地方，從而不可能有能形成氣泡的孤立的「熱點」產生。

用玻璃容器裝有的低溫液氮，但其溫度遠不及液氦低。|圖片來源： Shutterstock

超流體是一種與玻色-愛因斯坦凝聚的形成相關的量子現象，在其中與單個氦原子的相關物質波開始重疊，並且整個流體形成一個單一的量子態。而液態水卻不是這樣的，所以它在沸騰時經歷的相變過程顯得更加熱鬧。

變成超流體的氦開始「滲漏」出容器，無視重力的存在，以一層薄膜的形式沿著杯壁往上爬。|圖片來源： Wikipedia

接近沸點的水分子會非常快速的移動，其量子波長（康普頓波長）要遠遠小於其分子本身大小。在這種情況下，把它們主要看作是像經典力學裡來回反彈的粒子似乎並沒有什麼問題。但它們之間的相互作用其實比經典力學更複雜一點，因為水分子是極性的，一邊的氫原子帶有偏正的電量，而另一邊的氧原子則偏帶負電量，不過我們仍可以用牛頓運動定律來分析單個分子的運動。

然而不知為何，當這些完全確定的相互作用發生在一個有著巨大數量的粒子的系統時，會導致在與基礎分子相比時偏大、但與整體樣本相比又偏小的尺度上出現一些不可預測的行為。在一壺沸騰的水中形成一個泡泡，涉及到大約10,000,000,000,000,000,000,000個水分子在很短時間內全部「決定」從液態變成氣態。仔細想想在這種規模上發生的這一集體事件其實是挺不可思議的，更不必說這一現象是從完全能確定的運動中顯露出來的。

然而，在整體水的樣品的尺度上，這又變成完全可預測了。如果我告訴你壺裡有多少水，水壺的電功率又是多少，那麼你只需要再知道幾個水的基本性質就能很容易地算出水煮沸所需的時間了。

這其實是由菲利普·安德森在20世紀70年代評論的「多了就是不一樣」現象的另一個例子。非常簡單的基礎物理學能引起非常複雜的集體行為，這些行為又可以通過適用於大系統的簡單規則來描述。我們不能簡單地只是從一些已知的微觀定理推測出宏觀規則，我們或許可以藉助統計學來幫助理解它們是如何隨機行為中表現出來的，但這並非一個簡單的過程。一旦這些更高層的規則從更複雜的系統中出現，你就可以非常有效地用它們來進行預測。

從在簡單性中體現出的複雜性里再得到的簡單性的過程，至少與量子物理學一樣神奇，而那就是熱力學一直在做的。

參考鏈接：

[1] https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2017/08/27/quantum-physics-isnt-magic-but-thermodynamics-seems-that-way/#5f84e3f210a3

[2] http://science.sciencemag.org/content/177/4047/393

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