除了我们前面已经讲过的，那些描述世界基本构成的重要理论之外，物理学另有一座与众不同的伟大城堡，它提出了一个让人始料不及的问题，那就是：“什么是热？”
直至19 世纪中叶，物理学家们还认为热是一种叫作“热质”的东西，或者是两种东西：一冷一热。这种想法后来被证明是错误的。最终，还是找到了热的本质：热其实也是一种电磁波。这个发现美丽、奇异而又深刻，带领我们进入了一个人类至今仍知之甚少的领域。
他们发现，一个热的物质并不会包含什么热质，它发热仅仅是因为其中的原子运动速度更快。原子和原子团组成的分子处在不断运动的状态中，它们快速移动、振动、跃升、跳跃……冷空气之所以冷，是因为空气中的分子跑得比较慢；而热空气之所以热，是因为空气中的分子跑得比较快。这个解释是不是简洁而美妙，但故事还没完。我们知道，热量总是从热的物体跑到冷的物体上。一个冷茶匙放到一杯热茶里会逐渐变热；在天寒地冻的环境里，如果穿得不够暖和，我们的身体会很快丢失热量，感到寒冷。
那为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是反过来呢？这是一个关键的问题，因为它关系到时间的本质。在所有不发生热交换，或热交换可以忽略不计的情况下，我们看到的未来将和过去是一模一样的。例如，对于太阳系行星的运转而言，热量几乎是无关紧要的，所以行星即使逆向运转，也不会违反任何物理规律。可是一旦有热量存在，未来就和过去不同了。举个例子，如果没有摩擦，钟摆可以永远摆动下去。如果我们把这个摆动过程录下来，倒着播放，也不会发现有任何问题。但是，如果存在摩擦，钟摆就微微加热了底座，损失了能量，运动速度就会减慢。这就是摩擦生热，这时我们立刻就能通过时钟的摆动快慢来分辨未来和过去。
想想看，我们是不是从来没有看到过哪一个钟摆吸收了底座的热量，而从静止突然开始摆动。只有存在热量的时候，过去和未来才有区别。能将过去和未来区分开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上。那么，为什么热量会从热的物体跑到冷的物体上，而不是相反呢？
玻尔兹曼发现其中的原因惊人地简单：这完全是随机的。玻尔兹曼的解释非常精妙，用到了概率的概念。就是热量从热的物体跑到冷的物体上并非遵循什么绝对的定律，只是这种情况发生的概率比较大而已。原因在于：从统计学的角度看，一个快速运动的热物体的原子更有可能撞上一个冷物体的原子，传递给它一部分能量；而相反过程发生的概率则很小。在碰撞的过程中能量是守恒的，当发生大量偶然碰撞时，热量倾向于平均分布。所以就这样，相互接触的物体温度会趋向于相同。热的物体和冷的物体接触后温度不降反升的情况并非完全不可能，只是概率小得可怜罢了。
将“概率”引入物理学的核心，直接用它来解释热动力学的基础，这一做法起初被认为荒谬至极，所以没人把玻尔兹曼当回事。1906 年9 月5 日，玻尔兹曼自缢而亡，他没有等到自己的理论被全世界认可的那一天。那么概率后来是如何进入物理学核心位置的呢？在某种程度上，将概率引入热力学是由于我们的“无知”。我不确定某件事是否会发生，但我可以分配给它或高或低的概率。例如，我不知道要举办马赛的场地明天是会下雨、天晴，还是会下雪，但我可以知道8 月下雪的概率是很低的。
同样，对于绝大多数物体，我们都只是略知一二，并非完全了解，所以只能基于概率做出预测。比如一个充满气的气球，我可以测量它的形状、体积、压力、温度……但是气球中的空气分子正在快速运动，而我不知道其中每一个分子的确切位置，所以无法对气球接下来的运动做出准确的预测。
比方说，如果我解开气球口上的结，然后放手，气球就会一边噗噗地泄气一边四处乱撞，我无法完全预见它的飞行方向。但即使如此，我还是可以预测气球从我的手上飞走，飞出窗外，绕着远处的灯塔转一圈又飞回来落在我手上的情况基本不会发生，因为这样的概率实在是太小了。有些情况发生的可能性会大些，而有些情况则几乎不可能发生。同样，当分子发生碰撞时，热量从热的物体传递到冷的物体上的概率是可以计算的，结果显示，这个概率比热量从冷的物体传递到热的物体的概率要大得多得多。物理学中研究上述内容的分支叫统计物理学，它的成果之一就是从玻尔兹曼开始研究的热量和温度的概率特性，也就是热力学。
我们的“无知”暗含着世界运行方式的某些线索，这乍看很不合理。冷的茶匙在热茶里面会变热，气球放气的时候就会四处乱飞，与我知道与否毫无关系。支配世界的物理原理和我们知不知道有什么关系呢？这个问题理直气壮，答案却很微妙。茶匙和气球的运动遵从物理规律，具有必然性，与我们知道与否毫不相干；它们行为的可预测性或不可预测性，与它们的具体状态无关，只与它们和我们相互作用的那一部分属性比方说温度和压力有关。具体是哪些属性，取决于我们与茶匙、气球相互作用的方式。因此，概率同物体自身的演化无关，只与物体跟我们相互作用的特定属性的变化有关。这又一次表明，我们用以组织这个世界的概念之间有着深刻的关联。
冰凉的茶匙在热茶里面变热，因为在无数个可以标示茶匙和茶的微观状态的变量中，它们只通过有限的变量与我们发生相互作用。这些变量的值虽然不足以准确推断未来，比如说气球的运动轨迹，但是对于预测茶匙变热绰绰有余。
希望在这番细碎的讲解之后，诸位读者还有兴趣听我说话。在20 世纪的进程中，热力学就是研究热的科学和统计力学就是研究各种运动的概率的科学。他们都延伸到了电磁场和量子现象的领域中。不过，当把它们延伸到引力场时，却出现了问题。温度升高时，引力场会如何变化，仍是一个未解的难题。我们知道电磁场加热后会发生什么：比如在用烤箱时，馅饼会被热的电磁辐射加热，我们知道怎样描述它，电磁波会振动，随机分配能量。我们也可以把电磁波想象成由光子组成的气体，这些光子像热气球里面的分子一样运动。但是热引力场是什么？我们在第一课说到过，引力场就是空间本身，或者说是时空，因此，当热量在引力场扩散开来的时候，空间和时间也应该发生振动……但是我们还不知道如何描述它，我们还没有发现可以描述热时空的、热振动的方程。
好了，关于热力学我们就先聊到这里，明天我们来聊聊时间。让我们一起自我迭代，好好学习，格致教育工作坊每天都在这里等你。
讲座时间：2017 年12 月27 日
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