1 热无序

倒一杯水，仔细观察，你会看到一杯清澈的均匀**，它的内部似乎不存在任何结构或者运动。（只要你别晃它！）但我们知道，水的均匀一致只是一种表面现象，如果将这杯水放大几百万倍，你将看到大量水分子紧紧挤在一起，形成粗粝的颗粒结构。

在同样的放大倍数下，你还会看到水的内部并不平静，水分子时时刻刻都在剧烈运动、彼此推搡，就像狂热的人群。水分子——或者说所有物质分子——的这种不规律运动被称为热运动，因为它直接表现为热现象。虽然人类的眼睛既看不到分子也看不到分子的热运动，但这种运动会对人体神经纤维产生一种特定的刺激，让我们感觉到“热”。对于那些比人类小得多的生命体（譬如悬浮在水滴中的细菌）来说，热运动带来的影响就大得多了，来自四面八方的躁动分子一刻不停地推挤、踢打这些可怜的小生物，让它们不得安宁（图77）。这种有趣的现象被称为布朗运动。一百多年前，英国植物学家罗伯特·布朗（RobertBrown）在研究细小的植物孢子时首次注意到了这种现象，布朗运动因此而得名。这是一种普遍存在的运动，悬浮在任意**中的足够小的任意微粒都会产生布朗运动，空气中悬浮的烟雾和尘埃微粒也会表现出同样的性质。

我们加热**时，这些微粒的狂野舞步将变得更加激烈；不过一旦降低温度，布朗运动的强度就会显著下降。毫无疑问，这说明布朗运动实际上是物质看不见的热运动造成的结果，而我们通常所说的温度其实不过是度量分子热运动剧烈程度的一种标准。人们研究了布朗运动和温度之间的关系，结果发现，当温度达到273℃（即459℉）时，物质分子会完全停止热运动，所有分子归于静寂。显然，这就是宇宙中的温度下限，我们称之为“绝对零度”。[85]如果有人说，还有更低的温度，那就太荒谬了，因为世上没有比绝对静止更慢的运动！

温度接近绝对零度时，任意物质分子包含的能量都只有一点点，所以内聚力会将它压成一块坚硬的固体，所有分子只能在这种近乎凝固的状态下产生一点儿微弱的颤抖。随着温度的上升，这样的颤抖会变得越来越剧烈，到了某个特定的阶段，这些分子就会获得一定的自由度，它们可以互相滑动了。冻结的固体就这样变成了**。这种融化过程必须在特定的温度下才会发生，具体取决于物质分子的内聚力强度。某些材料的分子内聚力非常微弱，例如氢或者组成空气的氮氧混合物，所以热运动在比较低的温度下就能打破分子的冻结状态。因此，固态氢只能存在于14K（259℃）以下的低温环境中，而固态氧和固态氮的融化温度（熔点）分别是55K（218℃）和64K（209℃）。另一些物质的分子内聚力更强，所以它们需要继续升温才会融化，正是出于这个原因，纯酒精的熔点达到了130℃，而冻结的水（冰）熔点是0℃。还有一些物质能在更高的温度下保持固态，比如说，铅的熔点是327℃，铁是1535℃，稀有金属锇的熔点高达2700℃。虽然固体状态下的物质分子被牢牢地束缚在原地，但这并不意味着它们就不受热运动的影响。事实上，根据热运动的基本定律，给定温度下任何物质的每一个分子携带的能量完全相同，无论它是固体、**还是气体，它们唯一的不同之处在于，对某些物质而言，这么多能量足以帮助分子摆脱束缚、自由运动，而另一些物质分子只能在原地剧烈颤抖，就像一群被短链子拴紧的怒犬。