- 永不停息的宇宙:经典物理到量子物理的转折
- (德)马克斯·玻恩
- 1613字
- 2024-10-10 17:13:40
1.气压
我们在呼吸时一直需要空气。我们都知道,肺从空气中获得我们赖以生存的氧气。这属于化学,我们以后再谈。
闭上嘴巴,我们可以用吸入的空气吹鼓自己的脸颊。这属于物理学。事实上,这是关于气压的最简单的实验。然而,通过使用气泵,比如自行车打气筒,我们可以了解更多关于空气的知识。当我们往下推活塞的时候,打气筒内的空气就被挤压在一起,也就是说,我们压缩了空气。然后空气推开一个阀门,找到进入轮胎的路。你可能已经注意到了,打完气之后,打气筒变得很烫。你可能认为是摩擦导致发热,就像你在摩擦手掌时感到温暖。的确,一部分热量是摩擦产生的,但大部分热量的产生有别的原因。一项实验可以证明这一点:摘下打气筒夹在轮胎上的夹子,直接向空气中打气。这时,打气筒的温度几乎没有升高。因此,给轮胎打气是一个“压缩加热”的例子。
自行车打气筒是一种压缩泵。此外还有抽气泵,它可以把空气从封闭的容器里吸出来。例如,抽气泵可以用于制造电灯泡,抽走电灯泡里的空气就可以避免纤细的金属灯丝燃烧。由于现代科学的进步,我们可以制造出非常高效的泵,它能抽走封闭容器里几乎所有的空气(或气体)。但在这里我们不能详细讨论泵的结构。我们感兴趣的问题是:空气是怎样的物质?是什么阻止了我们把它挤压在一起?为什么它一有机会就立即向周围的空间扩散?
想象一下假期前学校里的一个班级。放学铃声响了,教室的门开了,孩子们急匆匆地跑出去,一两分钟后教室就变得“稀薄”(几乎没有一个人)。(图1)几分钟后,走廊上孩子的“浓度”也很低了。很快,所有学生都走出了学校的正门。假期开始了,校园里变成一片“真空”。
图1
至少在1950年之前的100年或更长的时间里,物理学家对空气性质的看法就是这样的。物理学家理所当然地认为空气是由大量微小粒子构成的,他们把这些粒子称为“分子”。这些分子不停飞舞,不断相互碰撞,也不断与装空气的容器壁碰撞。如果容器壁的一部分可以移动,就像气泵里的活塞(图2),那么持续不断的分子“冰雹”就会把活塞往外推,除非活塞的另一头有什么东西阻止它移动。成群的分子倾向于在它们能到达的空间里均匀分布。如果通过挤压空气(就像往下推打气筒的活塞)使它变得更“浓厚”(密度更大),那么只要存在裂隙,分子就会由此逸出,直到它们再次在整个空间中均匀分布(尽管变得更为稀薄)。
图2
你也许会说:“是的,这很有可能,但要如何证明呢?为什么分子会有‘假日感’,像学校里即将放假的孩子一样,急匆匆地从门口冲出去呢?”
很好。我们已经建立了一种物理理论,现在必须做好准备出示证据来支持这种理论。
这种理论叫“气体分子运动论”。这个名字表明,该理论是基于分子的运动,也就是基于分子的永不停息。气体分子运动论不仅适用于空气,而且一般认为也适用于它的所有亲戚(其他气体),比如空气的组成成分——氧气和氮气,能燃烧的氢气,可以灭火的二氧化碳,有毒的一氧化碳,气味强烈的氨气,黄绿色的氯气,被称为“惰性气体”、完全不参与化学反应的氖气和氩气,以及其他不计其数的气体。
曾经有一段时间,科学家习惯于区分“永久性”气体和其他气体,他们认为,“永久性”气体不能被液化,其他气体则是液体或固体物质的“蒸气”,比如水蒸气是液态水的蒸气。然而,随着能达到的温度越来越低(图3),气体一个接一个地被液化,首先是二氧化碳(-78.5℃),接着是空气(-193℃),然后是其他我们熟悉的气体。最后只剩下一种未被液化的气体——氦气。但最终,卡末林·昂内斯[3]在-269℃的极低温度下也成功地使其液化了。
图3
很明显,气体与固、液体的蒸气之间没有实质性的差别。相反,任何液体或固体都可以在高温下蒸发,转化为真正的气体。只要加热到足够高的温度,没有物质不会熔化或蒸发,即使铁、金、铂也不例外。钨是最难蒸发的金属之一,其沸点估计为4800℃[4]。
因此,只要温度足够高,气体的概念就可以包含一切物质;而气体分子运动论被认为适用于一切处于气态的物质。
现在,我们必须给出支持气体分子运动论的证据。