李開周專文:洪七公為什麼凍不死?

2018-02-17 05:30

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據說,內力高深的人抓起兩塊鐵,上下疊壓,雙手一使勁,能讓鐵塊牢牢黏在一起,從兩塊變成一塊。其實我們也可以做到,只要有足夠的時間:將兩塊鐵、兩塊金板、兩塊銅板或其他任何種類的兩塊金屬疊在一起,等上幾百年、幾千年、幾萬年的時光,它們總會變成一塊,即使不施加任何外力。究其原理,還是因為原子一直振動,兩個物體接觸面上的原子振動尤其劇烈,總會有一些偷偷鑽進對方的懷抱,從此兩情不渝,死不分離。

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宏觀上靜止不動的物體,微觀上從來沒有停止過運動。好比我們從高空看大海,一片蔚藍,光滑如鏡;降落到低空時再看,大海波濤洶湧,起伏不定;等我們跳進大海,又可以觀察並感受到沖天的巨浪、飛濺的水花。舀一碗海水,放在靜室裡,水面又呈現出光滑如鏡的狀態,可是用足夠清晰的儀器去看,又可以看到水分子在跳躍、水蒸氣在揮發,碗口附近的空氣都因為微弱的溫差而流動起來。

分子、原子、質子、中子、電子,以及更小級別的夸克、輕子、玻色子,統統在運動,永不停息。它們的運動似乎是無規則的,同時又遵循某些概率。比如說給一個物體加熱,不管它的形態是固體、液體、氣體還是膠體,其微粒的運動速度都會加快,振動頻率都會加大,往某個特定方向運動的概率就會增加。將一個溫度較高的物體和一個溫度較低的物體放在一起,高溫物體的熱量向低溫物體傳遞,低溫物體的熱量也在向高溫物體傳遞,但是從高溫物體向低溫物體傳遞熱量的概率,一定遠大於從低溫物體向高溫傳遞熱量的概率。這在宏觀上就表現出熱傳導定律:熱量總是從高溫物體傳遞給低溫物體,只有在特別小的概率下,熱傳導的方向會反過來,但是這種概率會小到在整個世界毀滅前都未必會發生一次。

經典物理學也研究過熱傳導,並且總結出許多規律,可那都是站在宏觀角度上得出來的結論。現在我們有了極為精密的觀測設備,有了非常強大的數學工具,從微觀角度再對熱傳導進行觀測和計算,可以得出更加可靠的結論。

《射鵰俠侶》第十回,洪七公在華山絕頂大風雪中大睡三天三夜,沒有被褥,沒有暖氣,身上積了一層厚厚的積雪,醒來依然生龍活虎,到底是什麼道理呢?按照經典物理學的熱傳導定律,我們當然可以得出解釋:雪花是粉末狀固體,一切粉末狀固體都是不良導熱體,可以減緩熱傳導速度。厚厚的積雪覆蓋在洪七公身上,將他與外界的低溫空氣隔絕開來,使他身上的熱量流失得不那麼快,彷彿蓋了一層被子。中國俗諺有云:「今冬麥蓋三層被,來年枕著饅頭睡。」說的就是這個道理。

可是如果繼續追問:為什麼雪花這種粉末狀固體是不良導熱體?它能在多大程度上減緩熱傳導呢?經典物理學未必答得出來,只能用量子物理來求解─量子物理擅長解決微觀問題,可以測出雪花的晶體結構,進而設計一個「量子行為粒子群優化演算法」,精確推算出雪花隨時間變化的熱傳導係數。洪七公要是懂得這個演算法,他老人家在華山絕頂入睡之前,一定會合理安排露營地點和睡眠時間,確保自己能在風雪中睡夠盡可能長的時間,同時又不會被凍死。

20181030-《誰說不能從武俠學物理》書封。(時報出版提供)
誰說不能從武俠學物理》書封。(時報出版提供)

*作者為青年學者,《南方都市報》專欄作家。曾於《新京報》、《中國經營報》、《世界新聞報》、《羊城晚報》、《中國烹飪》和《萬科周刊》等媒體開設專欄。著有《過一個歡樂的宋朝新年》、《吃一場有趣的宋朝飯局》、《歷史課本聞不到的銅臭味》、《民國房地產戰爭》,本文選自作者新著《誰說不能從武俠學物理?》( 時報出版)

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