金镜反应化学方程式,金镜反应的原理

来源：onely

在这一节，我们把热的认识放到整个宇宙来考虑，探讨一下宇宙的起源和命运。这一节我们刚好可以利用许多前面几节所讲过的知识来解释我们的宇宙。

宇宙在膨胀并且在加速膨胀，今天看来已经是无可争议的事实。然而，根据牛顿的引力定律，所有的星体都相互吸引，那么静态的宇宙很快就会开始收缩。然而，静态宇宙的观念是如此之强，甚至于1915年爱因斯坦在提出伟大的广义相对论时，仍在方程中引入一个所谓的宇宙常数来修正自己的理论，使静态宇宙成为可能。宇宙必须在膨胀——这一早该在300多年前就由牛顿定律预言的事情直到1929年才被哈勃观察到的星系红移现象证实。宇宙在加速膨胀，意味着在很久很久以前（根据宇宙膨胀的速度可以推算出是在一两百亿年前），宇宙可能处在一个高温高密的状态。这就是1946年伽莫夫提出的宇宙大爆炸假说。1964年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊偶然中发现了宇宙微波背景辐射，强有力地支持了宇宙大爆炸理论，他们也因此被授予诺贝尔物理学奖（在物理学界，理论的提出者没有获奖，而找到支持理论证据的人获奖是常有的事）。

大爆炸以后早期（大约0.1ms）的宇宙结构比现在简单地多，那时宇宙是由极高温的热辐射组成的“羹汤”，整个宇宙是均匀的，处于热平衡。在此后的时间里，宇宙逐渐膨胀和降温，它的组分逐渐脱离热平衡状态。那么宇宙是否会像“热寂说”说的那样再次回到热平衡态呢？《时间简史》中描述了我们宇宙的两种可能的命运：从大爆炸还是膨胀，到某一临界点后在引力的作用下开始收缩，再次回到宇宙早期的状态（大挤压）；或是引力无法抵挡膨胀的速度，宇宙永远地膨胀下去（开放宇宙）。目前所有的证据都指向，我们的宇宙可能会永远地膨胀下去。

多少年来，人们总感到对“热寂说”的批判说服力不强，隔靴搔痒，未中要害。现在我们看到，由于宇宙在膨胀，它的组分会相互脱耦，从热平衡向非平衡态发展，从温度均匀到产生温差。并且由于宇宙很可能永远膨胀下去，这种不断向着不平衡发展的趋势不会停止。这种现象在静态宇宙模型下是不会发生的，膨胀的宇宙以出乎前人意料地方式冰释了“热寂说”的疑团，热力学第二定律也不会因此背上使宇宙走向衰亡的罪名。

此外，根据热宇宙模型，我们的宇宙早已经由辐射统治转变为由物质统治，现在的宇宙里万有引力起主导作用。而引力系统是具有负热容的不稳定系统，这一点也否定了“热寂说”的成立。简单来说，引力系统的特点是不稳定性，比如某处因涨落密度稍有增加，那里就会对周围物质产生较强的吸引力，吸引更多的物质靠拢过来，使局部的密度进一步增大。于是在本来均匀的宇宙中逐渐聚结出一些尺度不同的团块，来形成星系、星系团、超星系团等结构。

那什么是负热容呢？我们说微观粒子的动能越大，宏观上表现为温度越高；但是对于引力系统恰恰相反，得到能量时动能减少（例如人造卫星想要切换到更高的轨道上去，就要获得能量，到了更高的轨道上速度更慢，动能更低，但是势能增加；陨石坠入大气层后，空气阻力的作用不是使其减速，反而是加速，也是同样的道理），因此称为负热容。具有负热容的系统是不稳定的，它没有平衡态：宇宙中的均匀物质凝成团块，从均匀分布到不均匀分布，引力势能转为动能，虽然在三维坐标空间里变得“有序”了，但在三维速度空间里变得“无序”了，总体而言是熵增了，由于不存在平衡态，熵没有极大值，它的增加是没有止境的——也就是说，“热寂说”所描述的那种所有物质达到热平衡的状态不是熵最大、概率最大的状态，熵会永无止境地增长下去，热平衡是不可能实现的。

引力系统的负热容不稳定性还体现在，当有的恒星核燃料耗尽后，它们不但不冷下来，反而在急剧的引力坍缩过程中产生大量的光和热，这就是天文上观测到的超新星爆发。1862的人们发现了“白矮星”，白，是说其温度高；矮，则是体积小，根据引力系统的负热容不稳定性，物质会有向一块集中的趋势，但是正常的恒星不坍缩，是因为其内部的核反应产生的辐射压与引力向抗衡；但当红巨星的能源耗尽后，恒星走向了生命的末端，引力会使星球迅速坍缩。那为什么没有坍缩到更小的球去呢？1928年，一位印度研究生钱德拉塞卡在前往剑桥的船上开始思考这个问题，他意识到电子的简并压力（有一些粒子是有排它性的，这种粒子间的相互排斥力即简并压力）是有极限的，并于1933年提出了钱德拉塞卡极限：形成白矮星的最大恒星质量为1.44个太阳质量。50年后的1983年，瑞典皇家科学院为此授予了他诺贝尔物理学奖。

那么超过钱德拉塞卡极限的恒星会发生什么呢？1932年查德威克发现了中子的存在，同年朗道预言了由中子气体组成致密星的设想。1939年奥本海默计算得到了奥本海默极限，大体在2-3倍太阳质量的恒星会形成中子星。与白矮星的发现过程不同，白矮星发现之后几十年人们才弄清楚是怎么回事，而中子星被预言了三十多年后，人们才意外地发现了脉冲星，并惊喜地确认这就是理论物理学家早已预言的中子星。超过奥本海默极限的恒星，就连中子简并压也无法抵挡，在物理学中再也找不到其他力量能够抵挡恒星继续坍缩，这就形成了“黑洞”。

黑洞的第一张照片，来源nasa

早在1915年爱因斯坦提出广义相对论的次年，史瓦西就通过爱因斯坦的场方程发现了一个真空解，这个解在1969年被美国物理学家惠勒命名为“黑洞”。2019年人类首次拍到了“黑洞”的照片。黑洞是一个奇点，这个点由于引力的作用会把所有视界边界内的物质都吸进来，就连光也无法逃脱。由于这种特性，黑洞的质量似乎只会增大而不会减少，直到最后宇宙变成一个个黑洞、相互合并，最终变成一个奇点？这会是宇宙最终的命运吗？黑洞使宇宙其他地方的质量在减少，并且也使熵减少。

但是由于人们坚定地相信热力学第二定律，霍金等人终于发现黑洞其实也不是那么黑，它也会向外蒸散和辐射，由于不同的机制，但它的辐射刚好和黑体辐射一样。并且黑洞的温度只与质量有关：质量越大，温度越低，黑洞的蒸散和辐射恰好能够维持热力学第二定律不被违反。黑洞的辐射使得引力坍缩不像人们曾经认为的那样是不可逆转的，考虑量子效应后，黑洞似乎最终会蒸发并消失掉。宇宙从非常热的状态下开始随膨胀而冷却，这是我们今天的宇宙图像。宇宙是否有一个开端或终结呢？没有人知道。

漫长的热力学之旅终于结束，相信大家一定对热的理解丰富了许多，但又有些眼花缭乱，来总结一下：

热的本质是组成物质的原子分子的微观运动，热运动包含有动能和势能两部分，其宏观体现通常表现在两个方面——“热量”和“温度”。“热量”代表“热”的多少，其本质是微观粒子运动的总能量；“温度”代表“热”的强度，其本质是微观粒子运动的平均动能。

不同物质的密度、原子质量等因素的不同，分子之间相互作用力导致的势能不同，因此同温度同体积下，尽管每个原子的“动能”是相同的，但整块物质所含有的“热量”却不同。

现在我们来用以上学到的知识解释一些生活中的热现象，并且我会指出其中的道理主要来自以上的哪一章节，方便大家复习巩固。我们以问答的形式，从简单的问题开始逐渐增加难度：

减肥的朋友一定都会在吃食物之前关注一下“热量”这一参数。食物的“热量”一般指的是单位质量的食物被完全分解或完全吸收后所放出的能量，其单位一般是焦耳或卡路里。1卡路里=4.186焦耳，卡路里是啥呢？就是在大气压下将1g水升温1℃所需的能量。诶？这不就是热功当量嘛（见第三节）！焦耳测得的热功当量是4.154焦耳。为什么差了一点呢？除了实验精度以外，还因为如今的摄氏温标已经根据热力学温标进行修正了（见第二节和第四节），也因为水在不同温度下的比热容也是不一样的，所以常有“4度卡路里”“20度卡路里”等说法，这里1卡路里=4.186焦耳采用的是“15度卡路里”，即水从14.5℃升温到15.5℃时所需的热量。

这是我们在文章开头就提到的问题，一般的解释就是金属的热传导速率更快，所以你手上的热量会更快地流入金属中，因而感觉冷。在我们学了整个热学之后，我们可以进一步指出，金属的导热性高是因为金属中存在自由电子气体（见第五节），而“气体”的导热性当然远远好于固体。在非纯金属或固体合金中，电子会频繁与晶格和杂质发生碰撞，这时热传导的主要贡献来自一种称为“声子”的准粒子。“声子”是描述晶体格波的一种虚拟粒子，大家可以把它理解为通过固体需要通过“声子”来进行热传递（所以这么看，“热质说”并没有完全错吧！）。而在金属中，电子的导热性远远超过“声子”，固体物理学还告诉我们，金属的电导率与电阻率之比与电子温度成正比且只与温度有关（所以电阻率低的金属其电导率也低，大家可以查一查是不是这样，银是常见金属里最低的），这一结论进一步支持了电子气体作为电荷和能量载体的模型。

严格来说，这是一个光学问题。如果大家看古装剧就会发现，古人的镜子多为铜镜，也有金镜、铁镜、银华镜等，玻璃镜要到清代以后才出现。为什么金属多是亮晶晶的呢？这也由于金属中存在自由电子气体，当光（电磁波）照在金属上时，表面的电子气被加热，阻碍光继续向前传播，光就被反射了。被加热的表层的深度就称为“趋肤深度”，光的波长越长（频率越低），趋肤深度越大。简而言之，金属对光的截止频率在紫外波段，也就是说对于可见光、红外光、微波等波段都是会强烈反射的，这也是某些安检的金属探测器的原理。回到问题，如果把金属容器放入微波炉，由于微波无法穿透金属，不仅无法加热容器内的食物，反而会由于金属的反射在炉内形成驻波场，造成着火、爆炸等危险！