热的无序
倒一杯水，你观察到的是一杯透明的均匀液体，其中没有任何内部分层或移动的迹象（当然，不要晃动玻璃杯）。但我们知道，这种均匀性只是肉眼所见的表面现象，如果将水放大几百万倍，它就会显示出明确的颗粒结构，显示出紧密堆积的大量独立分子。
在同样的放大倍数下，我们还能看到水并不是静止的，水分子处在剧烈的运动中，到处流动，互相推挤，仿佛激动的人群。水分子或一切其他物质分子的这种不规则运动被称为热运动，原因很简单，正是这种运动本身导致了热现象。尽管肉眼无法直接察觉分子和分子的运动，但分子运动会对人类的神经纤维产生某种刺激，催生出我们称之为“热”的感觉。对于比人类小得多的生物，例如悬浮在水中的小细菌，热运动的效应就明显多了。躁动的分子会从四面八方攻击这些可怜的生物，将它们推来推去，令它们片刻不得安宁（图8-1）。这种有趣的现象以英国植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）的名字命名，被称为“布朗运动”。一百余年前，布朗研究微小植物的孢子时首次注意到了这种现象。布朗运动普遍存在，通过悬浮在任何液体中的任何足够小的粒子，或飘浮在空气中的微小的烟尘颗粒，都能观察到这一现象。
图8-1 在分子撞击下，细菌连续换了六个位置（这幅示意图的物理原理肯定是对的，但从细菌学的角度来看就不一定了）
加热液体时，悬浮在其中的微小颗粒的舞蹈会变得更狂野。随着液体冷却下来，颗粒的“舞步”则会显著放缓。由此可见，我们在这里观察到的其实是物质隐藏的热运动的效应，而通常所说的温度不是别的，正是对分子运动激烈程度的度量。通过研究布朗运动与温度的关系，人们发现，当温度降至-273摄氏度即-459华氏度时，物质的热运动就完全停止了，此时所有分子都会静止下来。显然，这就是最低温度了，人们称之为绝对零度。如果有人说还有更低的温度，一定是无稽之谈，因为没有什么运动能比绝对静止更慢了！
在接近绝对零度时，一切物质的分子都只剩很少的能量，分子间的内聚力会将它们凝结成固体硬块。在这种冰冻状态下，分子顶多只能发出轻微的颤动。当温度升高时，颤动会变得越来越激烈，到了某个阶段，分子就能获得一定的运动自由度，进行滑动。随着冰冻时的硬度的消失，物质会变成流体。熔化温度（熔点）的高低取决于作用在分子上的内聚力大小。有些物质，比如氢或空气（氮和氧等的混合物），分子的内聚力很弱，热运动在相对很低的温度下就能打破分子的冰冻状态。比如，氢要到14升（即-259摄氏度）以下才处于固体状态，而固态的氧和氮分别会在55升和64升（即-218摄氏度和-209摄氏度）时融化。另一些物质的分子内聚力更强，它们能在更高温度下保持固态：比如，纯酒精一直到-114摄氏度时仍能保持冰冻状态，而冷冻的水（冰）到0摄氏度时才能融化。还有一些物质的熔点更高：铅的熔点为327摄氏度，铁的为1 535摄氏度，稀有金属锇的熔点则高达2 700摄氏度。虽然在固体状态下，分子都被严格绑定在自己的位置上，但这决不意味着它们不受热运动的影响。事实上，根据热运动的基本定律，在相同温度下，不论是固体、液体还是气体，所有物质的每个分子蕴含的能量都是相同的，不同之处仅在于，对于有些分子，这样的能量足以让它们摆脱固定的位置，四处移动，而对于另一些分子，它们只能像被短链拴住的恶犬一样，在原位震颤。
在上一章描述的X射线照片中，我们能很容易观察到固体分子的这种热震颤或热振动。我们看到，拍摄晶格中的分子照片需要相当长的曝光时间，而值得注意的是，曝光期间，它们不得离开固定位置。但在固定位置上不停颤动无助于拍出好的照片，而是会导致图像模糊不清。图版I复制的分子照片中就显示了这种模糊效果。要获得更清晰的图像，必须尽可能地降低晶体的温度。有时可以通过把它们浸入液态空气中来实现。反之，如果加热拍摄的晶体，图像会变得越来越模糊，当温度达到熔点时，分子会离开它的位置，开始无规则运动，此时，它的图像就会彻底消失（图8-2）。
图8-2
固体物质熔化后，分子仍聚在一起，因为热运动的强度虽然足以使它们摆脱晶格上的固定位置，但不足以将它们完全分开。当温度继续升高，内聚力就无法再让分子聚在一起了，此时，如果周围没有阻挡，分子就会向四面八方飞去。此时，物质就变成气态了。与固体的熔化一样，不同液体沸腾的沸点也各不相同，内聚力弱的物质沸点较低，内聚力强的物质沸点较高。同时，液体承受的压力也发挥着重要作用，因为外界的压力是站在促成分子聚合的内聚力这边的。正如我们都知道的，当水壶封得很严时水沸腾的温度会高于将水壶打开时的沸腾温度。反之，在气压减小的高山顶，水的沸点会低于100摄氏度。顺便说一下，通过测量水的沸腾温度，我们可以计算出大气压强，进而推算出所在地的海拔。
但可别学马克·吐温哦，据说，他曾把一支无液气压计放进沸腾的豌豆汤锅中。这样做非但测不出海拔，气压计上的氧化铜还会让你的汤汁变味。
物质的熔点越高，沸点也越高。比如，液态氢的沸点为-253摄氏度。液态氧和液态氮的沸点分别为-183摄氏度和-196摄氏度，酒精的沸点为78摄氏度，铅的沸点为162摄氏度，铁的为3 000摄氏度，锇则高达5 300摄氏度。[1]
固体美丽的晶体结构一旦破裂，分子首先会像蛆虫一样蠕动，接着会像惊鸟一样四散飞去。但持续增强的热运动的破坏力还不止于此。温度进一步升高将威胁分子本身的存在，因为分子间持续增强的碰撞力会将分子分解为单独的原子。这个被称为热解离的过程取决于分子的相对强度。某些有机物质的分子在区区几百摄氏度下就会分解为单独的原子或原子团。另一些更坚固的分子，例如水分子，则要超过一千度才能裂解。当温度上升到几千摄氏度时，一切分子就都不复存在了，物质将变成纯化学元素的气态混合物。
太阳表面就是这种情况，那里的温度高达6 000摄氏度；而有一些相对“凉爽”的红巨星，[2]大气层中仍存在一些分子，这也得到了光谱分析法的证实。
高温下的猛烈热撞击不仅能将分子分解成原子，还能进一步破坏原子本身的结构，剥掉其外部的电子。当温度升至几万摄氏度、几十万摄氏度时，这种热电离会变得越来越明显，而上升至几百万度时，热电离则会全面发生（图8-3）。这样的高温已经超出了实验室中可能获得的范畴，但在恒星内部，尤其在太阳内部，却是司空见惯的。在这种环境下，原子本身已不复存在，所有电子壳层都被完全剥去，物质会变成裸原子核和自由电子的混合物，在空间中高速飞舞、大力撞击。不过，尽管原子已体无完肤，但只要原子核保存完好，物质的基本化学性质就不会改变。一旦温度下降，原子核又会重新捕获电子，再次回归完整的原子。
图8-3 温度的摧毁效应
要实现物质彻底的热裂解，即原子本身分解为单独的核子（质子和中子），温度必须达到至少几十亿摄氏度才行。在最炎热的恒星内部，我们也未发现如此高的温度，但很有可能在数十亿年前，宇宙还很年轻时，存在过这样的高温。我们将在本书最后一章再回头讨论这个令人兴奋的问题。
如此，我们看到热运动会将物质基于量子定律建立起来的精巧结构逐一瓦解，将这座宏伟建筑变成大量狂乱的粒子，它们横中直闯，相互冲撞，不遵循任何明显的定律或规律。