Question

为什么热力学与量子力学和广义相对论一样重要

Answer 1

充满活力的想法 热力学可以解释范围广泛的物理现象，从融化的冰淇淋到蒸发的黑洞。

像许多科学作家一样，我经常认为量子力学和广义相对论是我们关于物理世界的两个主要（如果不兼容）理论。凭借他出色的新书 爱因斯坦的冰箱：火、冰和宇宙的科学 ，纪录片制片人保罗森让我怀疑这是表达它的正确方式。这两种理论可能更适合作为与宇宙接触的术语：描述时空背景的相对论，以及对其中事物进行细粒度描述的量子理论。但是为了解释我们在所有大量粒子中实际看到的情况，我们最好参考 Sen 的书的主题：热力学，在它的所有伪装中。

爱因斯坦的冰箱 提供了该学科广度的清晰易懂的画像，主要通过其 历史 讲述。开始尝试理解和改进工业革命的机器，热力学很快以热力学的前两条定律的形式提供了今天物理学家称之为“不可行定理”的最深刻的定理——关于什么是物理上不可能的陈述。首先，能量在宇宙中是守恒的；其次，在所有发生的事情中，一些能量不可避免地消散成一种不能用来做功的形式。从这些成分中，19 世纪的科学家意识到我们可以推断出宇宙的开始（它一定有一个不太可能的低熵配置）和它的结束（在无用的能量均匀性的“热死”中）。

热力学告诉我们一切，从平淡无奇（冰淇淋为什么会融化）到全球（世界气候系统引擎的动力）甚至宇宙（为什么大爆炸留下了无处不在的微波背景嗡嗡声）。它掌握着解开生命之谜的钥匙——活的有机体似乎（但实际上并没有）逃避第二定律，后者要求增加熵。它巩固了信息和计算理论，例如通过数学家Claude Shannon对信息熵的定义。它对黑洞做出了惊人的预测，比如斯蒂芬霍金关于它们会慢慢蒸发的命题，这仅凭广义相对论是无法揭示的。或许最深刻的是，第一定律（能量守恒）与物理理论的深层对称性质有关，正如德国数学家Emmy Noether 所 证明的那样：能量守恒遵循基本物理定律的时间对称行为，就像动量守恒与它们在空间中的平移不变性。

我们太容易忘记热力学一开始对量子理论的发展有多么重要。1900 年，马克斯·普朗克( Max Planck ) 仅通过假设对微观振动进行了方便的启发，就能够开发出关于热物体如何发射辐射的理论——具体而言，他假设振动是量子化的。当然，正是爱因斯坦敢于从字面上理解这个想法。森提醒我们，爱因斯坦的早期工作有多少植根于由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦、路德维希·玻尔兹曼等人开发的热力学微观图景。爱因斯坦使用物质的整体、聚集特性来估计分子尺寸。最著名的是，他提供了布朗运动的理论这支持了扩散，并使法国物理学家让·佩兰在 1908 年为原子的真实性提供了令人信服的证据。

因此，爱因斯坦的冰箱本身是他与物理学家利奥·西拉德( Leo Szilard)共同开发的应用物理学的罕见转移，因此与他的热情有关。由于泄漏的有毒制冷剂导致死亡的说法，两人设计了一种没有移动部件的冰箱，因此不太容易出现故障。他们的想法被德国公司AEG开发成原型，但在 1930 年通用 汽车 公司开发出一种名为氟利昂的无毒冷却剂时被搁置了。（最近人们重新对爱因斯坦-西拉德设计产生了兴趣。）

与此同时，西拉德通过调用一个可以选择性地将热气体分子与冷气体分子分离的微小生物（被开尔文勋爵称为恶魔）帮助解开了麦克斯韦在第二定律中“挑一个洞”的努力所带来的难题。西拉德展示了如何简化和自动化这个场景，以消除恶魔思考的奥秘。但直到 1960 年代，问题才以一种将热力学与计算联系起来的方式得到解决。事实证明，第二定律受到用于记录分子运动的存储器需求的保护：擦除信息有不可避免的熵成本，这对计算的能量效率设定了基本限制。

森以令人钦佩的清晰解释了这一切——我特别欢迎他对开尔文温标如何工作的描述，以及为什么它对事物的冷度施加了下限。 爱因斯坦的冰箱 四处游荡，但从未失去与中心主题的联系，并展示了由 18 和 19 世纪科学家萨迪·卡诺、朗福德伯爵和鲁道夫·克劳修斯开创的科学如何确实支撑了大部分现代物理学。

在这方面，Sen 的范围甚至可以更远。热力学及其现代的统计物理学化身，实际上是多体系统相互作用中涌现行为的科学。这就是为什么它的核心概念——例如相变、临界点、重整化和随机性——在物理学的许多分支中反复出现。它们出现在强子的量子色动力学描述中；超导和强相关电子的理论；活细胞的机制（例如，相分离最近被认为是至关重要的）；甚至人群、交通和动物群的行为。