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因熱而舞

在原子尺度,所有顆粒都一直在運動。即便在最平靜的水池或是最堅硬的冰山中,原子也一直在顫抖,不是因為冷而是因為熱。物質普遍存在的這種熱運動,是最沒有規律可言的運動之一。這與真實世界中的隨機性非常接近,實際上,數學家們用於驅動隨機數生成器的方程便是基於此原理開發而來的。

布朗運動與真實舞蹈之間的相似性並不只是巧合。康奈爾大學的物理學家們,通過對某次搖滾音樂會視頻中一群舞者的詳細研究,發表了一篇題為《重金屬音樂會中狂舞者的集體運動》(Collective Motion of Moshers at Heavy Metal Concerts)的論文。他們發現,無序的氣體狀態,如果按比例縮放到二維的舞池,可以很好地描述這一活動。對此他們寫道:「這一發現為狂舞與氣體之間的相似性提供了強有力的支持。」該論文發表於2013年2月11日,由arXive.org收錄,雖然看上去有些搞笑,但這背後的科學性對於群體行為動態分析研究來說,卻是具有預測價值的。

當然,真正的舞蹈都是有目的性的,而原子卻沒有心臟、大腦或腳去實現什麼目的。但是通過兩者之間的類比,用以說明原子躁動不安的運動方式,也可以幫助我們來闡明真實世界的現象,例如溫度。

當溫度與熱的概念到了原子層面時,就不會像你預料的那樣了。在這個範疇中,「熱」是一種粒子之間相互碰撞傳遞的能量。熱量越多,粒子碰撞的活躍度就越高。很多布朗同時代的人都相信,熱量是某種很像生命力的力量,但可以適用於所有物質。這種背景能量存在於所有存在原子的地方,並且所有原子因之而舞蹈。即便原子被嚴格限制在石英晶體或一塊骨頭中,它們也像坐在座位上感受搖滾樂節奏的觀眾一樣躁動。

另一方面,溫度也是一種熱效應。當不斷增加的熱量加速了汞原子的振動時,汞原子之間相互撞擊太強烈,就被迫需要擴張,因此水銀溫度計中的溫度和汞平面都上升了。擁擠的舞池也是差不多的狀況。人們在靜止站立時可以緊緊地靠在一起,但音樂響起的時候,他們就會開始推倚對方,每個人都自動擴張了地盤。被觀察對象的溫度,其實就是反映了其內部粒子舞蹈的活躍度,因熱而膨脹的氣體也解釋了,為什麼熱空氣會上升以及驅動風和其他天氣現象形成的動力學原因。

康奈爾大學的研究還指出,溫度方程同樣也適用於舞池。研究者利用計算機技術模擬了一支緊密排列的「移動活躍性模擬機器人」舞蹈隊,通過模仿一群密集的熱舞者和其周圍的旁觀者,研究了其互相碰撞時的動能損耗。「通過對電腦模擬的舞者的運動進行測量,建立了一個徑向溫度梯度(物體由裡向外或由外向裡產生的溫度差異),」他們如此寫道,「計算機模擬的舞池,中心位置溫度更高,而邊緣溫度則相對較低。」

簡而言之,對於你來說,原子這種因熱而驅動的舞蹈在原子層面上維繫著你的呼吸與生存。依賴這種熱運動,氧氣從你的肺裡擴散到血液中,信號分子鑽過神經細胞與肌肉細胞之間的狹窄縫隙,告訴你該收回那只快要被燙傷的手了。如果你在冬日裡摘下手套並抓住某人被凍得冰涼的手,你身體上那些碰撞更激烈的原子會「鼓舞」對方那些緩慢的原子,與此同時,一波波擴散的離子將這種感受,通過你的神經系統傳導到你的腦中——或者更形象地說——傳導到了你的心裡。

在整個過程中,氫原子扮演的是什麼角色呢?首先,人身體的2/3都是由含氫水分子構成的。如果你是一個150磅(68千克)的成年人,你身體的大部分都是由緊貼在一起的10磅(4.5千克)的氫和80磅(36.3千克)的氧組成的,它們通過各種途徑進入了你的身體。從某種意義上講,正是它們維持著你此時此刻的存在。如果更仔細地觀察它們在你身體裡所做的事情,你也許會更加開心。