量子物理學不是魔術，但熱力學似乎是這樣的

【博科園-科學科普】我（作者）即將結束一個長達一個月的家庭改進項目，包括掏空和更換廚房。這意味著在接下來的幾個月里，我一直在為我的早晨熱咖啡因燒水，而不是在爐子上的水壺裡，而是在上面看到的玻璃電熱水壺(它有很酷的內置燈，因為現在藍色LED的價格太便宜了)。水壺的清晰的側面讓我花了更多的時間思考煮東西，而不是我通常做的事情。

沸騰的水。圖片版權：Chad Orzel

我曾經寫過一本關於量子物理學的書，現在正在研究另一個我被問到關於量子現象的很多問題。這些通常被描繪成一種魔法，但如果你花足夠的時間去思考這個問題，它顯然不是魔法。量子現象很奇怪，當然因為它們顛覆了日常的直覺，但它們很自然地應用於相當簡單的規則。知道更多關於它的信息並不會讓這個主題變得不那麼令人驚訝，但奇怪的是這一點已經有所改變了。

另一方面熱力學的物理學則遵循相反的軌跡，至少一開始是這樣的。也就是說當我發現自己在思考一個像沸騰的過程中發生的事情時，對底層物理的了解會讓它看起來更神奇。更重要的是因為量子很小，是不可想像的大量粒子以經典的方式相互作用。

在很大程度上沸騰只是水的相變的一種表現：當你加熱一個容器的時候，最終你到達了一個沸點，水從液體變成氣體。整個樣品的溫度不會一直增加，直到所有液體變成蒸汽，這就是技巧為什麼你可以把像沸水紙杯。這些都很簡單並導致了一些世界上最無聊的家庭作業問題。

如果你再靠近一點會有更多的事情發生，變得更有趣。沸水的可見的特徵當然是氣泡——水不是一下子從液體變成蒸汽，而是一點點的進行。加熱並不是完全均勻的，所以你會得到「沸點」，在那裡一些液體會穿過過渡，而周圍的液體則不會。水的表面張力很快就形成了一個圓形的氣泡，它上升到表面然後爆發出內部的蒸汽。基本上不可能準確地預測出氣泡會在哪裡形成，這就給了一個快速沸騰的水，它的混沌特性。

有趣的是相反的過程是另一種相變的特徵，即超流氦的形成。你需要把氦冷卻到絕對零度以上的四度，這樣才能使它進入液態，但你可以通過連接真空泵來降低容器內的壓力。冷卻液將繼續沸騰形成氣泡，使液體中的「熱點」變為蒸汽，然後上升到表面。直到到達2.17開爾文，這時液體會突然變得光滑，這表明氦經歷了過渡到超流體，不再會形成氣泡，因為泵已經停止或液體停止蒸發，但是因為在超流體階段，導熱係數非常大，不會得到氣泡，因為液體會迅速地從一個地方轉移到另一個地方，以至於不可能形成導致泡沫的孤立的熱點。

含有液態氮的玻璃器皿, 它是冷的但不像液態氦那樣冷，從皿上面溢出。

超流性是一種量子現象，與玻色-愛因斯坦凝聚的形成有關，即與單個氦原子相關聯的物質波開始重疊，整個流體合併成一個量子態。但液態水並不是這樣的，這使得整個相變的沸騰變得更加神奇。

在沸點附近的樣本中水分子移動得相當快，量子波長比分子本身的尺寸小得多。在這種情況下不會因為把它們看成是彈跳的經典粒子而變得可怕。它們之間的相互作用變得有點複雜，但你可以從根本上說，從牛頓的角度考慮單個分子的運動。

然而這些完全確定的相互作用，當應用到一個具有不可思議的大量粒子的系統時，會導致無法預測的行為，這個尺度與底層分子相比是巨大的，但與整個樣本相比是小的。泡沫的形成一壺沸水涉及10000000000000000000000分子「決定」來打破所有的液體狀態進入蒸汽在很短的時間內。這是一種令人難以置信的想法，一種集體發生在這種規模上，更不用說從完全確定性的運動中出現。

然而在整個水樣本的範圍內，它是完全可以預測的。如果我告訴你我有多少水，以及水壺使用了多少電力，你就可以很好地估算出，從知道一些容易製表的水的特性中，它將會花費多少時間。不知怎的所有這些微小的運動和隨機的氣泡聚集在一起，造成了一個相當無聊的家庭作業問題。

這是菲利普·安德森(Philip Anderson)在20世紀70年代所評論的「更多是不同的」現象的另一個例子。真正簡單的基礎物理學產生了非常複雜的集體行為，這再次被應用於更大系統的簡單規則所描述。你不能很容易地預測這些規則僅僅來自於了解微觀規則——你可以使用統計技術來展示它們是如何從隨機行為中產生的，但這並不是一個簡單的過程。一旦這些高級規則從更複雜的系統中出現，你就可以很有效地預測它們。

從簡單中浮現出來的簡單的簡單過程，至少和量子物理學中的任何東西一樣神奇。這就是熱力學的全部內容……

作者：Chad Orzel（物理和天文學副教授）

來自：forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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