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    冬天，凜冽的寒風(fēng)吹過北方大地，而南方的許多城鎮(zhèn)，則沐浴在溫暖的陽光中。冷和熱存在于我們生活的每一個(gè)角落。這本書平實(shí)而生動(dòng)地描述了熱力學(xué)的幾個(gè)定律和它們的廣泛影響�？此聘呱畹臒崃W(xué)定律，其實(shí)都來源于人們的日常生活；只要稍微留心，便會(huì)發(fā)現(xiàn)，到處都是物理概念和定律在起作用。比如發(fā)燒時(shí)人的體溫，炎炎夏日里的空調(diào)和人們常吃的烤羊肉串等等，不勝枚舉。
    同時(shí)熱力學(xué)定律與高科技、時(shí)下的熱點(diǎn)問題都是緊密相連的。例如書中講述的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)中的引擎，用于夜間偵察的紅外探測(cè)器等；還有人們普遍關(guān)注的全球變暖、臭氧層缺失等問題，都和熱力學(xué)有著千絲萬縷的聯(lián)系。
    時(shí)間對(duì)人類是一個(gè)永恒的話題，正如書名所提到的，時(shí)間在熱力學(xué)中是一個(gè)關(guān)鍵的量，它與“熵”的概念緊密相關(guān)。熱力學(xué)指出，一個(gè)物體的熵隨時(shí)間的變化是有規(guī)律的。人們?cè)羞^很多時(shí)光旅行的幻想，這本書從熱力學(xué)角度科學(xué)地預(yù)測(cè)了它的可能性。當(dāng)然書中的結(jié)論是基于科學(xué)基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)，至于未來究竟怎樣，要靠人類自己親身去體驗(yàn)，去判斷了。
    《時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)》從最簡單的溫度說起，娓娓而談，描述了熱能、體溫、熱泵、熱機(jī)等熱動(dòng)力學(xué)的基本概念，以及它們對(duì)我們這個(gè)世界的影響；并且講述了熱動(dòng)力學(xué)對(duì)時(shí)間流逝的限制，以及人們穿越時(shí)空的可能性。

    1945年，兩枚核彈終結(jié)了第二次世界大戰(zhàn)，這是對(duì)物理學(xué)威力的一次展示，讓人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科學(xué)頭腦醞釀出的這次核爆炸摧毀了廣島和長崎這兩座日本城市，迫使日本不得不無條件投降。應(yīng)該說，物理學(xué)和物理學(xué)家的身影貫穿于第二次世界大戰(zhàn)的始終，而原子彈只是最生動(dòng)的一個(gè)例子。從那些用于炸壩的在水中跳躍前進(jìn)的炸彈，到那些感應(yīng)到船體出現(xiàn)便發(fā)生爆炸的水下魚雷，第二次世界大戰(zhàn)實(shí)際上也是一場(chǎng)科學(xué)的較量。
    第二次世界大戰(zhàn)讓所有人，包括那些多疑的軍事領(lǐng)導(dǎo)人相信，物理學(xué)是一門很重要的科學(xué)。然而，物理學(xué)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)延伸到了戰(zhàn)場(chǎng)之外，物理學(xué)原理幾乎關(guān)系到世界的每個(gè)部分，觸碰了人們生活的方方面面。颶風(fēng)、閃電、汽車引擎、眼鏡、摩天大廈、足球，甚至包括我們?cè)趺醋�、怎么跑，所有這一切都要服從科學(xué)規(guī)律的安排。
    在諸如核武器這樣的話題或者有關(guān)宇宙起源的最新理論面前，物理學(xué)和我們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)系往往顯得黯然失色�！拔覀兪澜缰械奈锢怼边@套叢書的目標(biāo)就是去探究物理學(xué)應(yīng)用的各個(gè)方面，描述物理學(xué)如何影響科技、影響社會(huì)，如何幫助人們理解宇宙及其各個(gè)相互聯(lián)系的組成部分的性質(zhì)和行為。叢書覆蓋了物理學(xué)的主要分支，包括如下主題：
    ◆力學(xué)與動(dòng)力學(xué)
    ◆電學(xué)與磁學(xué)
    ◆時(shí)間與熱動(dòng)力學(xué)
    ◆光與光學(xué)
    ◆原子與材料
    ◆粒子與宇宙
    “我們世界中的物理”叢書的每一冊(cè)都闡釋了有關(guān)某個(gè)主題的基本概念，然后討論了這些概念的多種應(yīng)用。雖然物理學(xué)是數(shù)學(xué)類學(xué)科，但這套叢書主要聚焦于思想的表達(dá)，而數(shù)學(xué)知識(shí)并不是重點(diǎn)，書中只涉及一些簡單的等式。讀者并不需要具備專門的數(shù)學(xué)知識(shí)，當(dāng)然，對(duì)于初等代數(shù)的理解在有些時(shí)候還是很有幫助的。實(shí)際上，每一冊(cè)可以討論的話題的數(shù)量幾乎是無限的，但我們只能選取其中的一部分。令人遺憾的是，不少有趣的東西就這樣不得不被省略掉。然而，叢書的每一冊(cè)都涉獵了非常廣泛的材料。
    我曾經(jīng)參加過一個(gè)討論會(huì)，會(huì)上一位年輕學(xué)生問教授們，是否需要備有最新版本的物理教科書。有一位教授回答說，不，因?yàn)槲锢韺W(xué)的原理“多年來一直沒有改變”。這個(gè)說法大體上是對(duì)的，但這只是對(duì)物理學(xué)的效力的一個(gè)證明。物理學(xué)的另一個(gè)支撐來源于建立在這些原理之上的令人吃驚的諸多應(yīng)用，這些應(yīng)用仍在不斷擴(kuò)展和變化，其速度之快非同尋常。蒸汽機(jī)已經(jīng)讓位給了用在跑車和戰(zhàn)斗機(jī)上的強(qiáng)大內(nèi)燃機(jī)，而電話線也正在被光導(dǎo)纖維、衛(wèi)星通訊和手機(jī)等取代。這套叢書的目標(biāo)就是鼓勵(lì)讀者去發(fā)現(xiàn)物理學(xué)在各個(gè)方面、各個(gè)領(lǐng)域所起的作用，現(xiàn)在的、過去的以及不遠(yuǎn)的將來的……

    全球變暖
    城市并不是目前正在變暖的唯一地區(qū)。最近出現(xiàn)了許多關(guān)于地球整體性變暖的討論：地球表面的平均溫度在最近100年內(nèi)上升了O.55℃。雖然精確溫度測(cè)量的記載從19世紀(jì)80年代剛剛開始，研究地球歷史的科學(xué)家認(rèn)為，20世紀(jì)是過去的1000年中最溫暖的一個(gè)世紀(jì)。而且從1860年開始，10個(gè)最熱的年份全部發(fā)生在1990年以后。這個(gè)世界范圍的現(xiàn)象被稱作全球變暖。
    100年中上升零點(diǎn)幾度聽起來并不多。但是地球的環(huán)境保持在一個(gè)精巧的平衡上，而且嚴(yán)重的混亂可以是一些小的改變?cè)斐傻慕Y(jié)果。這就是所謂的“蝴蝶效應(yīng)”，意思是說，諸如天氣這樣的復(fù)雜系統(tǒng)可以被看起來微小的變化所影響。
    如果全球變暖繼續(xù)進(jìn)行，在不遠(yuǎn)的將來就會(huì)有嚴(yán)重的后果發(fā)生。極地的冰川可能會(huì)融化，造成海平面的上升和沿海地區(qū)的洪災(zāi)。海平面的平均位置在最近100年內(nèi)上升了大約12.5厘米，一部分原因就是地表冰川的融化。（另一個(gè)造成升高的原因應(yīng)當(dāng)是熱膨脹引起的。）格陵蘭島是位于北大西洋的一塊大陸，表面有許多流動(dòng)冰川，因?yàn)榫嚯x赤道的距離更近，島上冰川的融化大概會(huì)比極地冰川要提前一些。如果格陵蘭島上的冰川全部融化的話，海平面的平均位置將會(huì)上升3—6米，足以引起沿海地區(qū)和低洼島嶼的嚴(yán)重洪災(zāi)。另一個(gè)全球變暖的災(zāi)難性后果是，諸如颶風(fēng)一類的強(qiáng)烈暴風(fēng)雨出現(xiàn)頻率會(huì)增加。天氣會(huì)在總體上變得更加多變，造成經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)上的許多困難。
    了解全球變暖的原因非常重要，而且物理因素在其中起了關(guān)鍵作用。但是遺憾的一點(diǎn)是：全球變暖的成因不容易被察覺到，至今還沒有完全弄清楚。
    正如上文所說，城市地區(qū)開始逐漸變熱，但是這與全球變暖卻是兩回事。從地球的表面積來看，城市地區(qū)只占了很小的比例。然而，由于我們的星球城市化的趨勢(shì)正在變得越來越強(qiáng)，一些氣象學(xué)家相信，城市熱島仍然會(huì)對(duì)全球變暖是有一定影響的。隨著城區(qū)的擴(kuò)張和新城市的出現(xiàn)，這個(gè)影響會(huì)只會(huì)越來越大。
    但是許多科學(xué)家還是認(rèn)為，全球變暖的主要來源是地球大氣中特定氣體含量的增加。這些氣體是造成所謂溫室效應(yīng)的根源。溫室效應(yīng)是由于植物苗圃而得名的——所以有了溫室這個(gè)詞——它在這個(gè)過程中溫度會(huì)升高。在植物溫室中，熱量是由玻璃限制住的，而不是氣體。玻璃允許很寬范圍內(nèi)的電磁輻射穿過，包括可見光（玻璃是透明的），但是不易穿過玻璃的輻射中包括紅外線。而這恰好就是溫暖物體會(huì)發(fā)射出的那種輻射。溫室里的物體吸收太陽光中的熱量，溫度會(huì)升高。當(dāng)它們變得更熱的時(shí)候，就會(huì)輻射出更多的紅外線，通常這個(gè)輻射會(huì)向周圍的環(huán)境中散發(fā)熱量。但是表面的玻璃阻止了熱傳遞，所以溫室內(nèi)部甚至在寒冷的天氣中也可以保持溫暖。
    在晴天中的一輛轎車內(nèi)部的情況與此類似，這就是為什么寵物和兒童決不能留在門被鎖住的轎車內(nèi)。人們經(jīng)常把車窗打開，來避免內(nèi)部變得過熱。這確實(shí)是一個(gè)基于物理規(guī)律考慮的聰明的舉動(dòng)——不僅紅外輻射可以散發(fā)掉，而且對(duì)流氣流也可以從內(nèi)部帶走一些熱量。
    如果包圍著一個(gè)物體的區(qū)域允許太陽光的能量進(jìn)入，而阻礙物體將熱量輻射出去，那么這個(gè)物體就會(huì)變熱，像溫室效應(yīng)一樣。地球的大氣起了類似的作用。所以大氣中的氣體就是溫暖了地球表面的溫室效應(yīng)的根源。但是這不一定就是一件壞事——大氣的溫暖作用對(duì)生命來說至關(guān)重要，否則我們的星球會(huì)變得非常寒冷。從太陽吸收來的能量會(huì)以紅外輻射的形式向外輻射，如果沒有大氣層，地球會(huì)維持在比現(xiàn)在低得多的熱平衡溫度上，很可能太冷以至于人類都不能生存。
    大氣層的重要性——或者它缺失造成的影響——在對(duì)太陽系行星的研究中顯示得很清楚。火星是如此之冷，不僅因?yàn)樗教柕木嚯x更遠(yuǎn)，而且因?yàn)樗”〉拇髿鈱�。在相反的極端上，金星大氣層的密度比地球大90倍，它的表面溫度大約是460℃。大氣層的影響通過觀察水星可以清楚地表明出來，它是一個(gè)臨近太陽的，沒有大氣層的行星。水星是距離太陽最近的行星，但是表面溫度變化得非常劇烈。隨著水星的旋轉(zhuǎn)（它的旋轉(zhuǎn)速度比地球慢得多），朝向太陽的一面吸收了大量的太陽能，會(huì)變得異常的熱，可以達(dá)到460℃。但是另一面（“夜”面）非常的寒冷，由于吸收的熱量向空間中輻射掉了，溫度可降至—180℃。大氣層的存在將會(huì)使得水星上的晝夜溫差大大降低。
    大氣層中的一些氣體成分在吸收紅外輻射上，比其他的氣體成分效率更高。諸如二氧化碳、水蒸氣和甲烷一類的氣體可以吸收很多紅外線。大氣中天然存在這些氣體，但是它們也可以在人類活動(dòng)中產(chǎn)生——尤其是二氧化碳，它是大量的經(jīng)濟(jì)和科技活動(dòng)的產(chǎn)物之一，例如燃燒天然氣和石油。另外一些在工業(yè)進(jìn)程中產(chǎn)生出來的化合物，例如氫氟烴和碳氟化合物，甚至是更強(qiáng)烈的溫室氣體。
    理解全球變暖的物理機(jī)制中的難點(diǎn)在于，精確的確定造成升溫的物質(zhì)，以及它將如何影響未來的氣候。溫室氣體的增加能夠而且會(huì)促成溫度的上升，但是沒有人能夠確定，現(xiàn)在的全球變暖現(xiàn)象中有多大比例是由于這個(gè)影響造成的。地球在人類起源之前的歷史上，曾經(jīng)歷了冰川時(shí)代和變暖的時(shí)代。查明全球變暖的原因和它將要造成的后果并不容易，因?yàn)樗娜蚍秶浴茖W(xué)家不可能在他們實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格的和可控制的條件中，復(fù)制和研究這些問題。作為替代，理解和預(yù)測(cè)全球變暖的未來進(jìn)程要靠復(fù)雜的模型和理論，它們也許精確，也許不精確。
    全球變暖對(duì)于世界和人類文明的威脅的程度現(xiàn)在還不清楚。但是考慮到發(fā)生毀滅性災(zāi)難的可能性，它確實(shí)是一個(gè)值得關(guān)注的，包含了熱力學(xué)和物理化學(xué)因素的問題。關(guān)于熱的研究，遠(yuǎn)不僅是物理學(xué)家的簡單有趣的練習(xí)，它將最終被證明對(duì)地球具有非常大的效用——而且是在全球范圍內(nèi)，影響到星球上的每一個(gè)人。
    ……

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