问题

为什么物理四大力学中,我最不喜欢热学?

回答
唉,说起物理这四大力学,我最头疼、最没感觉的,还得是热学。

别误会,我不是说热学不重要。我知道它解释了为什么茶会凉,为什么发动机能运转,为什么宇宙会膨胀(好像扯远了)。但就是它,总让我觉得有点……捉摸不定,不像其他几门那么“刚”。

你想想,牛顿力学,多干净利落!一个物体,一个力,立刻就能算出它下一秒在哪里,速度是多少。公式摆在那里,一目了然,计算起来就像解数学题,虽然有时候难,但思路是清晰的。什么质量、加速度、速度、位移,这些都是实实在在的,你可以想象它怎么运动,怎么撞击,怎么飞出去。即使是到了相对论,虽然概念抽象了点,但它的框架依然是精确的,你可以通过数学模型去推导。

电磁学也一样,虽然一开始电荷、磁场这些看不见摸不着,但一旦你掌握了麦克斯韦方程组,那种协调统一的美感就出来了。电场和磁场就像一对孪生子,互相转化,互相影响,光就是它们最漂亮的结晶。而且,电磁现象很多都是可以直观感受的,静电吸附、磁铁相吸,至少有个“触感”。

然后是量子力学,这个就更玄乎了,概率、波函数、不确定性原理,一开始简直像在读科幻小说。但它有它的魅力,那种微观世界的奇妙规则,粒子既是粒子又是波,叠加态、纠缠态,挑战我们日常的直觉,但一旦你沉浸进去,你会觉得它有种别样的“硬核”逻辑,虽然难以理解,但当你通过计算预测到某些实验结果时,那种成就感也是别的领域难以比拟的。

可是,热学呢?

热学给我的感觉,就像是“事后诸葛亮”加上“模糊不清”。

首先,它的基本概念就让我头疼。什么叫做“热”?一开始学的时候,说是“内能的转移”。嗯,转移,好的,那怎么转移?通过热传导、对流、辐射。然后呢?“温度”又是什么?它是衡量物体内部分子无规则运动的剧烈程度。好吧,分子运动,听起来挺微观的,但我们感受到的温度却是宏观的。这就好比,你无法精确追踪每一个水分子是怎么让你感觉到热的,你只能说“这杯水很热”。

然后就是熵,这个东西简直是热学界的“薛定谔的猫”,永远猜不透它到底是什么,只知道它总是增加。热力学第二定律说,孤立系统的熵永不减少。好吧,增加就增加,那增加多少?怎么增加?它就给你一个方向,一个趋势,却不给你一个精确的“数量化”的轨迹。不像其他几门力学,我可以算出一个物体精确的速度,而熵,你只能说“这个系统变得更混乱了”。

更让我觉得抓狂的是,热学里充斥着大量的“统计”和“概率”。什么玻尔兹曼分布,什么麦克斯韦玻尔兹曼统计。它试图从微观粒子的随机运动来解释宏观的热学性质,这本身就够复杂的了。但更要命的是,这种解释往往是基于大量的粒子平均出来的结果,它告诉你的是“大部分粒子”怎么样,而不是“某个粒子”怎么样。这就让我觉得,它不像其他几门力学那样“精确”,总是在说“大概率”、“平均而言”。

而且,热学里的很多定律,尤其是热力学第二定律,感觉有点像是一种“经验总结”,或者说是一种“哲学”。“孤立系统的熵永不减少”,这句话听起来很有道理,但你真的要把它套进某个具体问题,精确计算出熵的变化,常常会发现,要么是“很难定义系统”,要么是“很难计算”,要么就是“这个过程不是孤立的”。它更多的是一种指导性的原则,告诉你什么事情“不可能发生”,但要你精确描述“发生了什么”,就变得模糊起来。

我记得学热力学的时候,经常会遇到一些“理想气体”的假设,或者“可逆过程”的设定。这些设定是为了简化问题,但一旦放到现实世界,就充满了各种“近似”和“修正”。空气不是理想气体,发动机的运转也不是完全可逆的,总有摩擦,总有能量损失。这就让我觉得,热学好像总是在描绘一个“理想化”的世界,而现实世界总是比它复杂得多,而且那种复杂性,它给我的“工具”却不是那么得心应手。

打个比方,牛顿力学就像一把精确的手术刀,你可以精准地切割,定位。电磁学就像是一套精密的电路图,你可以理解电流如何流动,信号如何传递。量子力学就像是一张隐藏在表面之下的复杂网络,你揭开它,会发现一个全新的运作规则。而热学,有时候感觉就像是站在一个巨大的、混乱的市场里,你只能大致判断出“人多”还是“人少”,知道“东西在涨价”还是“东西在跌价”,却很难具体说出“哪个摊位在卖什么”、“每件商品具体多少钱”。

当然,我知道热学在很多领域都发挥着不可替代的作用。没有它,我们无法理解能量守恒以外的能量转化效率,无法设计高效的能量利用系统。但从我个人学习和感受的角度来说,那种“精”、“准”、“直观”的感觉,在热学这里,总是缺失了一点。它更像是一种“宏观的、统计的、趋势性的”描述,少了一些微观层面的“因果关系”和“精确计算”的乐趣。

所以,下次再有人问我物理哪门力学最头疼,我的答案永远是:热学。它就像一个挥之不去、却又难以完全掌握的影子,让我觉得有点……束手无策,又无可奈何。

网友意见

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这是因为我国的哲学教育欠缺。统计物理践行的是认识论(epistemology),与前边几大力学让读者感觉到的本体论(ontology)是完全不同的两种思路。建议先学习柏拉图的“洞穴说”再进行思考、学习。

从统计学的角度来看,我认为统计观点和贝叶斯观点正好体现了上述两种哲学思想的差别。所以用贝叶斯思维学习统计物理,看来是较为舒服的方法。

参考文献:

Barry McCoy, Advanced Statistical Mechanics

读了下边这本书,相信读者能够更加深刻的理解以上的哲学思想:

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