▎原子、分子與熱的含義

把你的兩只手緊緊地合在一起，并且使勁揉搓15秒左右。（在繼續閱讀之前，你最好現在就試一下，如果旁邊沒人的話。）你的手感覺更暖和了，皮膚的溫度上升了。你把動能（運動能量）轉化成了熱。

事實上，熱就是動能，分子產生的動能。你的手之所以感覺更溫暖，就是因為揉搓后分子來回振動的速度比之前更快了。這就是熱的本質：原子和分子速度很快而幅度極小的振動。

現在正適合來討論一下物質的組成。所有物質都是由原子組成的，而原子只有約[1]92種：氫、氧、碳、鐵……完整的原子名單展示在名為元素周期表的圖表中，如圖2.1。

元素周期表中的每個原子都帶有一個數字，叫作原子序數。該數字代表原子中的質子數，（通常來說）也是原子中的電子數。氫的原子序數是1，氦的原子序數是2，碳是6，氧是8，而鈾是92。

分子包括單原子分子和組合在一起的原子。水分子寫作H2O，說明它是由兩個氫原子（也就是H2）以及一個氧原子（也就是O）組成的。氦分子只含有一個原子（He），氫氣分子只含有兩個連在一起的氫原子（H2）；但是分子可以很大。DNA這種分子攜帶著我們的遺傳信息，其中可以容納幾十億個原子。[2]當分子破裂或組合時，它們就發生了化學反應。

任何材料中的分子都在不停地振動。振動越劇烈，材料就越熱。當你把手放在一起揉搓時，你使手內部的分子振動得更快了。有多快？答案令人震驚：這種振動的速度常常接近聲速，約為760英里/時，或340米/秒。真夠快的。但是這些粒子（至少在固體中）不會跑得很遠。它們會撞上自己的鄰居再彈回來。它們移動得的確很快，但是像環形跑道上的跑步者一樣，總體來看它們的位置并沒有改變。

普通的顯微鏡無法觀察到像原子那樣小的物質。典型原子的直徑約為10-8厘米=10-4微米[3]。如果你沿著一根人類頭發的切面直徑（通常為25微米）從一頭走到另一頭，你將會遇到125000個原子。一個紅血球的直徑（8微米）上可以并排放40000個原子。有一些分子非常大（比如DNA），足以被顯微鏡觀察到，但是這種分子中的單個原子，還是無法被人分辨出來。

雖然你看不到原子，但是你可以看到它們的振動對微小而可見的粒子造成的影響。在顯微鏡下，你可以看到小塊浮塵（直徑1微米）在自由移動。這種現象被稱為布朗運動。[4]會出現這種現象，是因為浮塵的分子被包圍在其周圍的空氣分子撞擊。如果灰塵足夠小的話，這種撞擊最終不會達到平衡。

聲速和光速

分子的速度和聲速極其相近，這是巧合嗎？不是——聲音在空氣中的傳播就是通過分子彼此之間的撞擊完成的。所以聲速是由分子運動的速度決定的。聲音在氣體中的傳播速度不會比氣體分子更快。[5]

你很容易就能測量聲速。有一種方法是看人打高爾夫球、劈柴或者打棒球。發現了嗎？你先看到事件發生，然后才聽到聲音。這是因為，光會以非常快的速度先到達你這里，然后聲音才會到達。估計一下你和發出聲音的人之間的距離，再估算一下聲音到達你那里用了多長時間。如果距離是1000英尺，那么大致的延遲就是1秒。（如果你在棒球比賽中做這個試驗，你可以盡量坐到離本壘板更遠的地方。）速度就是當時的距離除以時間。

當我還小的時候，很怕打雷閃電，我的父母教給我一個能知道聲和光從多遠的地方傳來的方法。他們說，兩次閃電和雷聲之間的時間間隔每多5秒，閃電的位置就會遠1英里。如果間隔是10秒，那么雷擊就在2英里遠的地方。對那時候的我來說，1英里簡直就是無限遠，于是我就放心了。這條法則之所以奏效，就是因為光傳播得太快了，在遠不到1秒的時間里就能穿越1英里。換句話說，光幾乎即刻就到達了。但是雷聲既然是聲音，就必須以較慢的聲速來傳播：340米/秒，你可以略記為每5秒1英里。

了解聲速，會在測量距離上對我們有很大幫助。2003年，我在一艘小郵輪上，遠處有一座冰山，一些大冰塊正從上面掉到水中。我測量了一下，聲音需要12.5秒才到達我這里。由此我得知冰山邊緣距離我2.5英里（每5秒1英里）。在測量之前，我還以為這個距離要近得多，冰山那巨大的體積誤導了我。

光速則要比這快得多：186000英里/秒，或者3×108米/秒。雖然這聽起來超快，但是我們有辦法用一種聽起來慢得多的方式來表示光速。現代計算機只需要約十億分之一秒（1納秒或1ns）的時間就能完成一次計算。（很多計算機可以更快，但是你應該知道一般計算機就需要約1納秒。）在那十億分之一秒的時間里，光只能傳播約1英尺（30厘米）。這就是為什么計算機尺寸必須很小。計算機必須通過檢索信息來完成計算，如果信息太遠，就要花幾個時鐘周期（cycle）[6]才能獲得。[7]假設計算機的頻率是3GHz，那么光在1時鐘周期中只能走4英寸。

記住：在1時鐘周期（1ns）中光速能傳播約1英尺。

熱蘊含的巨大能量

組成本書的大部分分子的速度都是聲速，但是這些分子的移動方向卻是隨機的。假設我讓所有分子都朝一個方向移動。那么本書就會以聲速（760英里/時）移動，但是能量總和不會變化。

這個例子說明普通物體的熱中蘊含著巨大的能量。遺憾的是，通常我們沒有辦法把這些能量提取出來做有用功。在后面關于熱機的章節中，我們將對此做進一步討論。我們沒什么好辦法能改變振動的方向，讓所有分子一起移動。但是我們卻可以反其道而行之。當小行星在6500萬年前撞擊地球時，它的所有分子最開始都是以30千米/秒的速度朝著相同方向運動的。在撞擊發生之后，分子的移動方向都變得不同了。

當動能轉變成熱時，我們可以將這個過程視為連貫而規律的運動轉變成隨機運動。分子能量從最開始的“整齊有序”（所有分子沿著相同方向移動）變為“無序”。“無序”這個詞在物理中很常用。無序的程度可以被量化，而這個值被命名為熵（entropy）。當一個物體受熱時，它的熵（分子運動的隨機性）就增加了。在本章的末尾我會更深入地討論熵。

嘶嘶聲和雪花：電子噪聲

收音機在換臺時經常會發出滋滋聲。這種聲音是從哪兒來的？當頻道沒有內容播放時，老式電視機屏幕上會顯示很像雪花的跳動白點。這種雪花是什么？

答案出人意料，雪花和嘶嘶聲都是同一種東西造成的：在你的電子設備里上竄下跳的電子。熱使得這些電子持續運動，當沒有其他信號時，你就能看到（或聽到）它們移動了。雖然它們不是分子，但是也有振動的能量。

降低溫度可以減少這樣的噪聲，而高靈敏電子設備需要經過冷卻才能降低嘶嘶聲和雪花。在第9章中，我將會介紹一種在極低亮度下用于觀察的設備，它就附帶有這樣一個冷卻系統。但是冷卻過度會讓設備停止工作，因為晶體管工作時需要借助電子在室溫下擁有的動能。沒有這種動能，電子就被困住了，而電流就無法流動。如果你把一個晶體管冷卻下來，去掉其中的能量，晶體管就不再工作了。

現在，我們已經把熱描述成了分子（有時也是電子）的動能，接下來我們就可以開始研究一個更棘手的問題：溫度是什么？