温度的微观本质

物理量都是人造概念，是人类为了认知，分辨自身和外界物体而设立的。哥本哈根学派主张：“自然科学不是自然界本身，而是人和自然界关系的一部分，因而依赖人。”温度是衡量物质冷热程度的物理量，在微观本质上认为代表的是分子、原子的运动的剧烈程度。在热力学中分子（原子）的运动包括平动、转动和振动。在固体的摩擦生热的解释中，认为固体分子的无规则运动的总动能和分子间相互作用势能构成了宏观物体的热力学能。

人类对事物的认识总是渐进的，不断深入的，随着认识的深入会发现各种数学物理模型都是理想化的条件。这种认识永远无法走向对事物的绝对认识，因为孤立的事物是不存在的，所有的系统都是宇宙的一部分。所谓的温度的微观本质是大量分子的平均动能，这种结论也是不完备的。

温度的微观本质是分子热运动学说的建立，部分来源于对布朗运动的研究。微小颗粒在水中的运动严格来说属于机械运动，这种机械能由弹性能转化而来，而弹性能在更微观层级上可能是水分子的电磁场的势能。颗粒做布朗运动，是机械能和弹性（势）能两者之间不断相互转化的一种动态平衡的结果。微小颗粒是不溶于水的，对水分子来说是异物，它与水分子之间形不成化学键的结合。微小颗粒的布朗运动，并不等同于水分子的运动。

物理量之间往往互相依存，测量一种物理量，往往要借助其他物理量或物质的其他物理特性。我们生活中常用的温度计是根据液体热胀冷缩的原理制成，温度计液泡内一般是水银，酒精、煤油等液体。在工业上，广泛使用温差电偶温度计——它利用某些金属的温差电现象来实现对温度的测量，测量范围可从3000度到接近绝对零度。专用的高温温度计有光测温度计，比色温度计和辐射温度计。在人造太阳（可控核聚变）试验中，对温度的测量则利用到了激光散射，软X射线能谱等光学原理。

布朗运动，是微粒在液体（气体）中的运动，从试验中观测到：温度越高，微粒的布朗运动越激烈，但这是在压力不变情况下的结果。微粒的布朗运动，与温度成正比，与液体的压力成反比。而压力加大到一定程度，微粒的内部结构甚至会发生变化，被压瘪，沉入水底，丧失在水中的布朗运动。比如，空气中漂浮的柳絮，我们用手将它搓捻一下，它的物理性质、化学结构及质量并无变化，但它却不能再浮于空气中。微粒的布朗运动的剧烈程度，和温度，压力及微粒是处于液态和气态的环境中都有关系。固态物质分子热运动中的平动和转动的阻力肯定要大于液态和气态的分子。在当今的电子显微镜下，人类也无法观测到液体，固体分子出现类似于微粒的布朗运动中的平动，转动及振动。微粒在气体和液体中的布朗运动的剧烈程度，与温度成正比，与液体中微粒的数量成反比，与液体的压力成反比，也就是说，温度并非是分子运动剧烈程度的唯一决定条件（由布朗运动证明了分子运动），而将温度的微观本质定义为分子热运动，与其他无关，显然从数学形式和逻辑上是不成立的：布朗运动强度系数，正比于温度反比于密度和压力。

在空调的制冷过程中，压缩机将气态的制冷剂加压，制冷剂的压力及温度增高，但体积缩小许多，在高压下产生液化现象。制冷剂温度增高，那么分子运动该增强；但是由于制冷剂体积的急剧压缩及液化，分子的运动空间受到挤压，但运动剧烈程度反而增强，显然有悖于常理。例如：在一个20平方米的房间内放入3个人，那么三个人在里面有运动空间；而放入100个人，那么人的平动、转动和振动都会受到限制。所谓的天文学中的白矮星，中子星及超固态，由于物质结构已经与普通物质的分子，原子结构不同，但这些物体也存在温度这项物理量，显然温度的微观本质的运动学说有其局限性。100摄氏度的水和100摄氏度的水蒸汽，温度相同，如果认为分子热运动的剧烈程度完全相同，明显缺少说服力。

传统观点认为：热传播的条件是存在温度差，只要存在温度差，就会发生热传递，直到温度相同为止。热传播的方式有三种：传导、辐射和对流。两个固体之间的热传递主要通过热传导，液体及气体热传递时对流明显。而热辐射是非接触的两个物体之间的唯一传递方式，以可见光、红外线、微波等来传递热，但在分子运动学说中，没有电磁波辐射和吸收的概念。例如太阳以电磁波——光的方式，经过太阳系内的空间将热能传递给地球。现在问题又来了，在宇宙内，存在许多接近真空的空间（里面基本没有分子和原子），但这些空间内也有温度这项物理量，并且接近太阳的地方温度极高，而有些空间温度接近绝对零度。这些空间中通过电磁波测定温度的高低，分子热运动学说又该如何涵盖这种情况？类似于水的蒸发现象，物体辐射和吸收电磁波是同时存在的：吸收的多于辐射的，则温度升高；辐射的多于吸收的，则温度降低。而两个非直接接触的物体温度相同时，并非是不再吸收和辐射电磁波，而是类似于水的饱和蒸汽压的状态，吸收和辐射达到了动态平衡。天文学中估计太阳已经存在50亿年，期间它一直在辐射出光能热能，那麽它的温度该逐步下降，分子的运动剧烈程度逐步降低吗？显然这是错误的，因为太阳的温度是相对恒定的，它通过核聚变反应释放出核能，核能又以光能和热能的形式对外释放。热能和温度息息相关，在接近真空的环境中，温度在微观本质上是和电磁能流密度相关的。分子吸收外界辐射来的电磁能之后，在压力不变的情况下表现出运动增强的现象，也有可能出现由液态变为气态的转化。而在压力增大的情况下，气态分子也可以辐射出电磁能，出现凝结液化现象，同时伴随着温度升高对外放热的结果。

微粒的布朗运动只存在于气体和液体中，以上主要通过布朗运动分析了温度微观本质运动学说的不足。下面我们来说固体摩擦生热中的情况。

在古代对热就有两种看法：一种把热看成是一种特殊物质，它不生不灭，存在于一切物体之中，物体的冷热程度，取决于所含热质的多少；另一种认为热是物质微粒的某种运动形式。十八世纪时，由于热质说无法解释摩擦生热的现象，而分子热运动学说较好的解释了摩擦生热及机械能和热能之间的转化问题，于是否定了热质说，而确立了分子运动说的地位。热质说的致命缺陷是热质的不生不灭这种简单化和机械化的思维。而如果认为热质是分子（原子）电磁能的一部分，由于分子之间的摩擦运动，固体分子间运动加剧，再导致热质（电磁能）由被分子的禁锢态变为释放态，从而导致热质（电磁能）的密度增高，物体温度升高。两块石头、金属等硬质材料激烈撞击时，就会有火花冒出，摩擦也可以生电。因而，摩擦导致物体释放被禁锢的电磁能是顺理成章的。机械能转化为热能的能量守恒，导致了分子运动学说的确立，而质能方程，则暴露了运动学说的缺陷。例如：植物通过光合作用，光子被禁锢于植物内；植物通过缓慢氧化作用或者燃烧，又释放出光子。在分子层级上，这是化学过程，但在原子层级上，它也可以视为物理过程，是物理学研究对象。

物体的温度是可以变化的，但在微观上，它不但是物体分子的平均动能，也包括物体的外部电磁能动态平衡的外部环境，在物体内部也和分子（原子）的电子能级轨道及电子附带的电磁能有关。在压力、物体状态（固、液、气）等物理量相同的条件下，温度的升高，物体分子（原子）运动剧烈程度会增加。在某一特定温度下，温度也是物体分子的一种内禀特性。

搞清楚温度的微观本质是有现实意义的。在超导研究中，低温对于超导体来说，不但是一个外部电磁能环境，也是超导体内部分子的电子的能级状态有关，并且超导体很可能将自身导电过程中产生的少量电磁波辐射传递给了冷媒。这将导致常温超导材料的研究不可能成功。除了在极低温度下某些材料具有超导性，在极高压力下某些材料也出现超导性，极高压力也会改变物体分子的细微结构。目前的超导材料，在应用中由于性价比差，不可能大面积推广。高温核聚变，低温下的量子计算机的研究，工作条件过于苛刻，可能将会面临无情的自然法则，成为当代的“炼丹术”研究。