温度的本質_風聞

1.1.1       温度的定義

根據我們對能量的分析已經知道，我們所接觸到的所有的能夠被我們所利用的能量，其本質是電子類粒子以及光子類粒子的運動，因此温度的本質必然與粒子的運動有關。

我們重新定義温度：温度不是物質的屬性，它描述的是空間內自由運動的粒子的密度。自由運動的粒子密度越大，則温度越高；反之，自由粒子的密度越小，則温度越低。

注意：自由粒子包括各種粒子：光子、電子、原子核、以及比光子小的粒子，介於光子和電子之間的粒子，介於電子和原子核之間的粒子等。

1.1.2       電子、原子核與温度的關係。

我們衡量一個物體的温度的時候，其實我們所測得的是這個物體發射自由散射粒子的能力。物體發射自由散射粒子的能力與電子環中電子的密度、原子核的振盪幅度緊密相關，這是因為原子核的振盪幅度會影響電子軌跡的變化，而電子軌跡的變化會影響電子與其它粒子撞擊的概率，以及電子成為自由電子的概率。其中，原子核的振盪幅度取決於電子環電子的密度、電子的動量大小。另外，外部粒子的撞擊也是影響原子核振盪幅度的一個主要因素。對於由不同原子核組成的分子來説，原子量的差異也是影響分子整體振盪幅度的一個重要因素。例如：水分子。

對於任何物體來説，電子的撞擊分解，以及電子因為任何原因成為自由電子，或者原子核因為任何原因成為自由原子核，或者自由原子核因為與其它粒子的撞擊而分解，都是形成温度粒子的直接因素。其中，原子核的振盪是影響電子軌跡時刻發生變化的主要因素，因此原子核的振盪幅度是影響物體散射粒子密度的一個重要指標。（現代理論中認為：温度是物體的分子平均動能的一種度量方式，也就是用攝氏度、華氏度、開爾文等熱學計量單位來表達物體的分子平均動能。理論中物體分子的動能應當就是原子核振盪幅度的描述。但是這個温度定義是受限的，例如真空中如果沒有分子，甚至原子類粒子都不存在，那麼我們如何用現代温度定義去衡量）

1.1.3       温度計原理。

在本章第4小節中，我們對火焰進行了分析，我們已經知道，在火焰發生時，裏面有大量的自由電子和自由的原子核（現代理論中稱之為離子），以及因為電子的撞擊而分解而出的各種粒子，當我們靠近時，這些自由的粒子撞擊到我們身體的原子核以及電子，我們的身體中的原子核的振盪幅度會因為自由粒子的撞擊而增大，同時，原子核還可能會捕捉大量的自由電子，從而使得自身原子核的電子環中電子的密度增大，電子環中電子的密度增大意味着原子核受到的束縛力增強，因此原子核的振盪幅度也會不同程度的增大。我們身體中原子核振盪幅度的增大以及電子環中電子密度的增大會增加電子環中電子的撞擊概率，也會增大電子因為軌跡的改變而脱離宿主原子核的束縛而成為自由電子的概率，從而再次增加電子撞擊的概率，因此我們身體温度升高的部位會因為電子的撞擊概率增大，而釋放出更多的自由粒子，而當温度計靠近我們的身體時，温度計中的原子核會因為受到自由粒子的撞擊，其振盪幅度會增大，温度計中的原子核會因為捕獲更多的電子而導致電子環中電子密度的增大，這也會使得温度計中的原子核振盪幅度增大。

對於水銀温度計來説，温度越低，表示水銀原子核的振盪幅度越低，而原子核的振盪幅度越低，則表示原子核之間的電子環越穩固，而電子環越穩固，則表示原子核之間的位置變化越小，這也意味着原子核通過電子環的結合體的空間佔位越小，因此原子核的振盪幅度越低的時候，水銀原子核的排列會更加的整齊；反之，當原子核的振盪幅度增大的時候，原子核之間的電子環會變得不穩定，原子核與原子核之間的位置變化越明顯，這意味着原子核通過電子環組成的結合體的空間佔位的增加，也就是説體積的增加。如果水銀的振盪幅度很大，足以使原子核之間的電子環斷開，那麼這些原子核由於不停的振盪的原因，它依然會不停的與碰到的任何原子核之間試圖形成共有電子環，雖然這種電子環是暫時的，或者只是一瞬間，但是它依然為原子核的空間佔位提供了支撐，使得它們不至於重疊，或者不會完全重疊。

對於紅外温度計來説，它探測的是物體發射出的自由粒子的密度，確切的説是：紅外線粒子的密度。目前我們已知的任何物體的原子核都是通過共有電子環的方式結合的，因此在任何情況下，物體中電子互相撞擊的概率都不會是零，也就是説任何物體在任何時刻，都會因為電子互相撞擊的原因，或者原子核振盪的原因，而向空間中散射自由粒子（自由電子或電子撞擊後分解的粒子），物體的温度越高，説明物體中電子互相撞擊的概率越大，電子因為互相撞擊而分解的數量就越多；同時，因為原子核的振盪而導致的電子脱離宿主原子核的束縛成為自由電子的概率也越大。因此只要物體中有電子互相撞擊或原子核振盪，就會有發射自由粒子的概率，紅外探測温度計正是利用了捕獲散射粒子所產生的電流大小來衡量所測量物體的温度的。

1.1.4       温度的傳導。

任何由多原子核組成的物體，在任意時刻，電子都會存在發生撞擊並分解的概率，以及電子因為軌跡的變化而脱離宿主原子核成為自由電子的概率；同時，處在任何環境中的物體也都存在從環境中獲得自由粒子的概率（物體獲得的自由粒子中的一部分會成為物體的電子，這會增加物體內部電子的密度，而原子核的振盪幅度則會受到電子密度變化的影響），以及原子核被自由粒子撞擊的概率。因此所謂温度的傳導，就是一個物體獲得自由粒子或者失去自由粒子的過程。

所有的多原子核物質都存在共有電子環，因此，在其表面都會與其它物質因為電子共有而發生電子的傳遞。無論是木頭、人體、鐵塊、布藝等，只要相互接觸，電子就會在這些物質之間傳遞，即使是空氣分子，當它從鐵塊表面飛過的時候，也會發生電子的傳遞，因此當時間足夠長時，物質的温度總是會與它存在的環境的温度一致或相近，其實就是物體失去電子的速度與從外界獲得電子的速度接近或一致（其本質是外界自由散射粒子的密度與物體所散射出的粒子密度也接近或一致）。

一個物體如果處於一個低温的環境中（周圍環境中自由散射粒子的密度低於物體本身所散射出的粒子密度），則原子核的振盪無法從外界獲得足夠的撞擊作用力，同時，原子核獲得電子的概率要低於失去電子的概率，因此，隨着時間的推移，原子核的振盪幅度會在電子環作用力的影響下慢慢衰減，直到到達一個平衡狀態。

一個物體如果處於一個高温的環境中，則原子核失去電子的概率低於原子核獲得電子的概率，因此，隨着時間的推移，原子核的振盪幅度會因為電子密度的增加而加強，直到物體失去電子的速度和得到電子的速度相當，同樣也達到一個平衡態。

温度的傳導速度與物體的温度高低不一定是線性的增加或減少。温度升高時，意味着原子核的振盪幅度的增加，而原子核振盪幅度的增加，則意味着電子的傳導路徑發生變化，電子的傳遞路徑的變化會影響電子在多個原子核之間的傳遞，因此，原子核振盪幅度會直接影響物體內部原子核之間電子的傳遞速度。如果不存在外部的加熱源，當高温物體處於一個低温環境中的時候，位於物體表面的原子核，無論其振盪幅度如何，它都可以與環境中的其它原子核形成電子的共有關係，然後進行電子傳遞。然而，物體內部的原子核卻不一定會與表面失去電子的原子核快速進行電子傳遞，這取決於組成該物體原子核的振盪幅度。如果原子核的振盪幅度過大，那麼原子核之間的共有電子環鏈，會出現瞬時的斷裂，或者永久的斷裂，無論哪種斷裂都會阻止電子在這些原子核之間進行傳遞。當然，原子核振盪幅度越大，意味着電子環中電子所受原子核束縛力的變化頻率越快，如果電子受到的束縛力在某一個變化的瞬間，不足以束縛電子繼續進行運行到下一個軌跡點，那麼電子就會脱離原子核的束縛而成為自由電子，而自由電子是影響温度的自由粒子的一員。因此，温度的升高影響了內部原子核通過共有電子環鏈向外傳遞電子，但是同時也增加了內部原子核所束縛的電子成為自由電子的幾率。這種內外原子核失去電子速度的差異會使得物體的內外形成温差。

影響物體內外温差的因素有多方面的原因，但最主要的是物體原子核之間是否有連續的電子環鏈，以及這種電子環鏈的穩定性。如果物體內部原子核之間有連續的電子環鏈，並且這些電子環鏈在温度很高的情況下依然保持很高的穩定性，那麼這種物質的內外温度差異就會比較小，同時也意味着這種物質的抗高温性能是很優異的。當然抗高温性能的物體內部不一定有連續的電子環鏈，如果物體內部沒有連續的電子環鏈（例如原子核之間依據立體交叉的電子環結合的網狀結構，金剛石應當就是這種結構），且在高温環境下原子核之間依然有穩定的電子環，那麼這種物質就可以具有良好的抗高温性能。

1.1.5       熱脹冷縮的原理。

熱脹冷縮的原因有2個：

第一：高動量的共有電子因為其運動軌跡比低動量電子要大，因此其軌道半徑相對來説要大，如果共有電子環中的高動量電子數量很多，那麼由共有電子環結合的兩個原子核之間的距離就會相對要遠一些；然而，電子環中的高動量電子與其它電子撞擊的概率，以及脱離原子核的束縛而成為自由電子的概率都要比低動量的電子要高，因此共有電子環中失去高動量的電子的速率一般要比失去低動量電子的速率要高，隨着時間的推移，如果物質不能持續的獲得高動量的電子，那麼共有電子環中的高動量的電子就會不斷的因為撞擊而分解，或者因為軌跡的變化而成為自由電子，隨着高動量電子的減少，原子核之間的共有電子環的軌道半徑會縮小，因此原子核之間的距離會縮短。

第二：由共有電子環結合而成的物質，在任何情況下原子核都在振盪，温度越高，則振盪幅度越大。很顯然，一堆整齊排列並且振盪幅度為1的原子核的空間佔比與同等數量但振盪幅度為2的原子核的空間佔比肯定是不一樣的。因此，正常情況下，同樣的物質，原子核的振盪幅度越大，則空間佔比越大。

大多數物體在温度降低的時候都會發生熱脹冷縮的現象，但是水分子確是個例外，這是因為水分子的構造比較特殊。氫原子和氧原子的質量（現在的衡量單位是原子量，其實就是相對質量的代名詞）相差比較大，但是共有電子環對兩個原子核產生的束縛力是接近的，而接近的束縛力對質量相差很大的兩個原子核來説產生的後果是不一樣的，前面我們已經分析過，共有電子環不是兩個正圓相切，同時電子環中電子的密度也不是恆定的，而是時刻都在變化，因此原子核在任意時刻受到的合動量都不是零，所以原子核會不停的振盪。

而水分子，由於構造的原因，在常温下，水分子的振盪幅度在常温下運動是無序的，分子與分子的位置可能是交叉的，當温度降低的時候，每個水分子都與其它的水分子形成了共有電子環，此時所有的水分子都變的有序，因此體積反而會增加。

1.1.6       絕對零度。

如果一個區域內的自由粒子密度為零，我們定義該區域的温度為絕對零度。

按照這個定義，我們無法在宇宙的任何地方找到符合絕對零度定義的空間或物體（當然，我們可以認為在距離我們無限遠的地方存在這樣的一片區域，該區域內不存在宇宙微波背景輻射粒子，但它也僅僅是暫時的，因為時間是無限的，總有一天它會充滿了基本物質，而存在基本物質粒子，就存在基本物質因為撞擊併發生形變，然後聚合成更大粒子的概率）。因為，即使存在這樣的一片區域，裏面沒有任何的多原子核物質，它依然充滿了各種粒子，宇宙微波背景輻射的存在就很好的説明了這點。

任何由多個原子核組成的物質，都存在共有電子環，只要有共有電子環，電子環中的電子就存在因為各種原因脱離宿主原子核，或者電子之間互相撞擊，而散射自由粒子的概率。因此，在多原子核物體存在的空間內，即使沒有宇宙微波背景輻射粒子等粒子，它也會有自由粒子散射。而只要有自由粒子散射，我們就無法定義該區域為絕對零度，所以，理論上，我們是無法通過任何途徑獲得絕對零度的空間或物體。

我們現在的科學實驗以及現實應用中，有很多時候需要超低的温度，而且很多時候是温度越低越好，但是現實條件限定了我們的能力，我們永遠都不可能達到絕對零度的要求。即使我們能夠製造質量無限大的物體用以阻擋基本物質的撞擊，從而製造一個沒有基本物質粒子以及宇宙微波背景輻射粒子的空間，我們仍然無法阻止該物體本身散射出自由粒子，因此，絕對零度將永遠停留在理論上。

既然我們永遠都無法到達絕對零度，那麼這樣的一個定義是毫無意義的。因此，我們應當修改這個定義：當一個空間內自由粒子的密度為宇宙微波背景輻射粒子平均密度的時候，我們認為此時的温度為絕對零度。

我們的低温要求往往都伴隨着物體的存在，否則低温對我們就沒有意義。而為了達到我們要求的温度，除了儘可能的降低空間內自由粒子的密度外，我們唯一能做的就是尋找合適的材料，或者説尋找合適的原子核，該原子核滿足這樣的條件：結構足夠對稱（之所以説是對稱，是因為只有對稱的結構，才滿足電子環橫切面半徑最小的要求）；電子密度足夠小；原子核的大小和體積都足夠相似。當一個物體的原子核滿足這3個條件時，我們認為該物體可以當作製造超低温的材料。

1.1.7       空調壓縮機的工作原理。

温度升高的時候，空氣分子的振盪幅度會增加，原因有兩個：一是空氣分子受到了其它粒子的撞擊；二是空氣分子中電子的密度增加，使得原子核受到的束縛力的變化頻率增加了，因此振盪幅度也會增加。

要想降低空氣分子的振盪幅度，以及空氣分子中電子的密度，最簡單的辦法就是讓這些分子與電子密度低的分子快速形成共有電子環，然後進行電子的傳遞。空調壓縮機的工作原理就是快速壓縮高温的冷凝劑分子，使得單位體積內冷凝劑分子的密度增大，然後讓這些冷凝劑分子通過狹窄且大數量的散熱片，此時冷凝劑分子與散熱片的接觸面積很大，因此冷凝劑分子會快速與散熱片上的原子核形成共有電子環，然後進行電子的傳遞。這個過程中冷凝劑被壓縮後會有兩種結果：一是單位體積內冷凝劑分子的數量增加，保證了在通過散熱片的時候單位面積內分子的接觸數量，這樣可以到達與散熱片進行電子交換的分子數量最大化；二是單位體積內冷凝劑分子數量的增加，使得分子之間相互撞擊的概率也增加，因此，電子之間的撞擊概率以及電子受到其它原子核的干擾也增加，這些都會使得電子脱離原子核的束縛而成為自由電子的概率增加，這意味着單位體積內自由粒子密度的提高。而散熱片是一個熱的良導體，換句話就是：散熱片上全部或大部分的原子核之間必有連續的電子環鏈，這保證了所有的原子核之間的共有電子環在瞬間或極短時間內就可以達到電子的平衡。如果此時散熱片外部的空氣分子中電子環的電子密度低於散熱片表面原子核電子環中電子的密度，那麼當空氣分子快速通過散熱片表面時，就會與散熱片表面的原子核形成電子環的共有並傳遞電子，然後，補充了電子的空氣分子又會快速飛離。這樣的結果就是：散熱片外表面的原子核不斷的與飛過的空氣分子因為傳遞電子而失去電子，散熱片內表面的原子核因為不斷的與接觸到的冷凝劑原子核因為傳遞電子而獲得了電子，散熱片內外表面的原子核之間通過共有電子環鏈不斷的進行電子的傳遞。最終的結果就是：冷凝劑原子核導致中的電子最終通過散熱片的傳遞到達了外部的空氣分子中。

對於空調來説，選擇合適的冷凝劑以及散熱片是空調完成使命的關鍵。冷凝劑要想最大限度的吸收空氣分子中的電子，那麼組成冷凝劑的原子核的電子環必須與空氣分子中的電子環具有最大限度的相似性，或者説具有最大的交集；同理，組成散熱片的物質的原子核的電子環也必須與冷凝劑中原子核的電子環具有最大的交集，同時也與空氣分子中的電子環具有最大交集，這樣才能保證冷凝劑與散熱片最大限度進行電子的快速交換。

1.1.8       總結

重新理解温度的含義對於我們認知這個世界有重要的意義。

1.   温度代表的是單位空間內某類自由粒子的密度，並不是我們現代理論中所説的是物體的分子動能。當然，物體的分子平均動能反應了空間內自由粒子對原子核的撞擊情況，以及物體原子核所束縛的電子的密度情況，在某種程度上可以説是該物體所在空間內温度的情況的之間體現。

2.   温度的升高和降低，實質是單位空間內某類自由粒子密度的增高或降低。

3.   絕對零度是不存在的。雖然宇宙是無限的，但也絕對不存在一個這樣的區域：空間內不存在任何的自由粒子，包括基本物質粒子。

4.   在任何空間內的任何介質內的温度的傳導，其實質都是粒子的傳導。