如今,全国众多公共场所都在不间断地测量过往人群的体温。然而,什么是温度?一个体系有没有温度?温度计到底测量了什么?这些问题即便在专业的物理教科书和杂志上也是语焉不详。本刊特发此文,供参考。
温度测量的历史是科学发展史的组成部分。感知冷热是生命必备的能力,因此冷热概念的出现远远早于热力学这门学科,也就难免纠缠不清。热、冷、火在英文物理文献中都有多重表述,而温度也是非常不易正确理解的物理学基本概念之一。
茫茫宇宙中一粒微不足道的尘埃——地球——上诞生了生命。
注意到地球的平均温度约为15°C,生命的物质基础之一是水,而水的凝固点为0°C,以及生命作为一个远离平衡态的耗散体系需要不断获得能量而地球的能源是来自太阳的辐照等几个事实,就可以多少理解生命所选择的温度窗口(必须处于环境温区的高端)以及对冷暖的敏感。可以说一切生命最重要的感觉能力是对冷暖的感知,过去中国人甚至将知冷知热看作是一个人作为好的配偶所必备的品格。
在中文语境里,温和、温暖、温柔等贴近我们体温的词汇都让人感到非常温馨,在其它文化中大概也应如此,毕竟“环球同此凉热”。
冷热的概念在人体发育的早期就应该建立起来了。给婴幼儿喂奶喂饭,一开始由大人掌握冷热,而后就要教孩子自己明白冷热。舒适的温度,应该是体温附近不大的范围,它首先是生理的需要,其后慢慢成了心理的需求。我们一个人一生中最需要理解的现象也许就是世态炎凉,人情冷暖!
人类自愚昧中走过来,在其科学努力中自然会将很大的精力放在理解冷暖现象上。于是,我们发展了热学、热力学,而这其中要理解和量化的一个重要概念是冷热程度,即温度。
冷热是我们身体的感觉,因此我们关于冷热现象相关的词汇一定比热力学这门科学出现得早,也就容易想象存在某些概念上的夹杂不清。
再考虑到英语的复杂来源,以及热力学在德、法、英几乎同时发展的历史现实,可以想见英文科技文献中与热有关的词汇会有许多不同的面目。首先,热力学关注的基本量是热量,是能量的一种特殊形式。
中文里热如今既是具体的名词(溶解热),也是抽象名词代表“热的”这种感觉、这件事(旅游热),也是形容词(热心肠);相应地,德语里“热的”是heiβ,而具体名词热,die Wärme,对应的形容词却是温暖,warm;英语里“热的”一词,hot,来自德语heiβ,但是词形变化丰富:热的这种感觉、这件事为hotness,热量则是heat。
德语形容词warm传入英语后,其对应的名词warmness,是温暖的感觉,却没有热量的意思。汉语科技名词中涉及热的还有热解(裂解)的说法,是对pyrolysis的翻译。
温度是物理学中七个基本量之一,单位为Kelvin,以英国物理学家William Thomson的官爵,即Lord Kelvin命名。在许多物理学生的头脑里,温度是个最基本的物理量,一个可测量量。
1994年夏季一个无聊的下午,笔者在德国Kaiserslautern大学物理系图书馆翻阅一本名为《Heat Transfer》的书时,忽然明白温度是不可测量的。它的所谓测量都要依赖一个我们未明说的、有时甚至是根本不知道的某个物理学定律,且测量的是其它的可测量物理量。
温度测量涉及复杂的物理现象。如何测量温度,虽然未得到充分强调,也算是一门学问,而且是一门复杂的、困难的学问。温度测量的逻辑基础是热力学第零定律:“若体系A和B分别同体系C处于热平衡,则A和B之间也处于热平衡。”
温度计与温标的建立是为了将冷热量化。1594年,伽利略发明了利用气体压力(体积)随温度改变的原理、由一种液体的升降来显示冷热程度的thermoscope。
温度测量的假象在于温度作为一个统计性质的强度量,是不可以被直接测量的。温度测量的假象在于温度作为一个统计性质的强度量,是不可以被直接测量的。所谓的温度测量,是通过对其它(广延)物理量(受热影响)的测量得以实现的。其它的物理现象被当作温度的指标,所得的温度值可能会因为某些事故得到不精确的、甚至错误的结果。
负温度是一个引人注目的概念,涉及的是激光工作介质或者磁场中分裂的核自旋这样的仅有几个能级的体系。负温度的体系比任何正温度体系都热。对于整体上严重分化的、非平衡的体系,简单地给出依赖某个整体性质的温度值其实是误导性的。温度是物理学最关键的基本概念之一,在量子场论、抽象代数的层次上讨论温度或可触及温度内涵的皮毛。温度作为一个统计参数,它与其定义所依赖的统计一起才构成对体系大体上的科学描述。