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迷人的温度.pdf
http://www.100md.com 2020年5月4日
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    参见附件(4062KB，213页)。

    迷人的温度是作者吉诺·格塞雷写的关于温度的书籍，主要围绕温度讲述了温度测量工具，人类，地球和宇宙史上的与温度有关的科学和现象，十分精彩。

    迷人的温度内容

    大多数人每天醒来时都会考虑几个问题：今天要去哪里？现在是什么时候？外面有多冷？

    有意无意间，对长度、时间和温度的衡量确定了生活的节律。这三个度量中，我对最微妙的那个温度最着迷。

    过去几千年里，人类对长度和时间的日常理解并没有太大变化，尺子和钟表也很早就问世了。温度就不同。虽然人人知道就连一个婴儿都能分辨冷热，但是我们学会度量温度却只有几百年。

    比如，我们知道太阳的中心温度，对地球的中心温度却不甚明了。

    比如，无论生活在北极圈还是撒哈拉，为什么人类的体温保持不变？为什么它始终是华氏98.6度(摄氏37度)？为什么大多数哺乳动物和鸟类都有着大致相同的体温？又比如，我们感染时会发烧，为什么会演化出这样的功能？

    温度，不只是数字。

    在动笔之初，我就知道自己要在这本书里探讨一系列重大问题。过去的一百年，科学家曾着力研究这些问题，但它们中的许多至今仍没有解答。而将它们串在一起的，正是温度。

    作者简介

    吉诺·格塞雷(GinoSegrè)，美国宾夕法尼亚大学物理和天文学教授。他是世界闻名的高能基本粒子理论物理学家，曾受到美国国家科学基金、艾尔弗雷德·斯隆基金、约翰·古根海姆基金和美国能源部的嘉奖。本书是他的代表作。

    书籍在线

    深入撒哈拉

    要保持恒定体温，高效的冷却机制和保暖一样重要。既然热量总是从较热的物体向较冷的物体流动，那么我们如果置身于华氏106度(约摄氏41度)的环境之中而缺乏某些调节机制，我们的体温就会不断升高，直至死亡。但实际上，我们却活了下来。我们下面还会说道，甚至在温度更高的撒哈拉沙漠地区，人类依然活得有声有色。

    蒸发是其中的关键。即使在寒冷的环境中，蒸发也会将我们在代谢中产生的热量带走约四分之一；如果气温上升，这个比重还会更大。要理解蒸发的散热原理，不妨将我们的体液设想成一个个水池，其中的水分子移动着、撞击着。我们现在知道，水的温度是水分子平均动能的体现。如果有运动较快的水分子从池中逃逸，剩余液体的平均动能就会变低，整个池子的温度也会下降。这就是蒸发能够降温的原理。不过，这个原理只有在液体上方的空气足够干燥时才起作用。如果快速运动的分子由水蒸气重新进入了水池，速度和它们离开时一样快，那么蒸发的降温效应就会消失。

    蒸发是一个十分重要的过程，因为水在变为蒸汽时会吸收大量的热。卡路里是热量的单位。将1克水加热1摄氏度，需要的热量正好是1卡；将1克水从摄氏0度加热到摄氏100度，需要的热量正好是100卡。然而，要将摄氏100度的1克水变成相同温度的1克水蒸气，需要的热量却超过500卡。也就是说，将水转化成水蒸气所需的热量，是将水从冰点加热到沸点所需的热量的五倍还多。因此，将身体里的水转化成水蒸气是一种十分有效的降温方法。

    那些需要降低体温的动物，自然也运用了这条基本原理，它们从各自的需要出发，发明出了层出不穷的巧妙方法。用蒸发促进冷却的一个法子是扇风，也就是趁运动较快的水分子甫离水面之际就将其吹走，使它们无法重新回到水里。我们在一杯咖啡或者一碗热汤表面吹气，使用的就是这个方法。

    当然了，无论什么必需品，人类都会给它加上修饰：有了功能就要有外观，有了外观又要有装饰。英文的“扇子”(fan)来自拉丁文的vannus，它是已知最早的冷却工具，大英博物馆的一幅浅浮雕上就展示了辛那赫瑞布[4]的仆人用巨大的羽毛扇为他扇风的场面。到今天，那些羽毛早已化为尘土，几根扇柄却保存了下来，那差不多是公元前2000年的文物了。折扇造型优雅，手腕一抖就能开合，它似乎最早出现于日本，后又传入中国。中国人喜欢在特别场合请贵客在折扇上题字、留作纪念。英国女王伊丽莎白一世也在肖像中手执一把硕大的羽扇。到了18世纪，扇子已经成为了风靡欧洲的商品，各大城市都出现了只在扇面上作画的专职画家。当时的扇柄用象牙和珍珠母雕成，上面镶嵌宝石，末端还装有玻璃透镜。正式的舞会上也衍生出了一套用扇子的位置表示不同含义的精致礼节，仿佛铁道上的壁板信号系统。但是无论装饰得多么精巧，扇子依然是最简单的冷却工具，到今天都是如此。

    蜜蜂同样采取了这个风扇策略，并以此对蜂巢的温度做精心调节。每到夏天，它们就扇动翅膀引起对流、给蜂巢降温。但是当气温升到华氏80多度(约摄氏27度以上)时，扇风已经不够了。于是它们纷纷飞出蜂巢喝水，返回时再将水吐出，在蜂巢中形成一道道液滴组成的薄幕。这时它们再扇动翅膀，将湿润的空气驱离蜂巢。E·O·威尔逊[5]说起过一个实验：给蜜蜂无限的水源，它们就能将蜂巢的温度维持在华氏85度(约摄氏29度)，虽然外面的气温已经升到了160度(约摄氏71度)。蜜蜂从不进入沙漠，但原因不是高温、而是缺水。

    扇风能加速冷却，但冷却的第一步还是要在某个表面上制造液体，好让它蒸发到空气中去。少数袋鼠和一些大鼠能够靠舔舐毛发使自己冷却，因为唾液的蒸发会带走热量，但是应用最广的蒸发技术还是喘气和流汗。

    鸟类没有汗腺，还有一些哺乳动物只有少量汗腺，比如狗。它们依靠短促的浅呼吸来使得喉咙的液体蒸发。这种方法颇有一些好处，其中一个是我们不太容易想到的：它能帮助动物保持头脑冷静。小个子的东非瞪羚在草原上全速奔驰五分钟，产生的热量就会使它们的核心体温从华氏102度(约摄氏39度)上升到略高于110度(约摄氏43度)。血液从110度的身体沿着动脉流向头部，它们脑部的温度却始终比身体低5度以上。它们的脑部之所以能保持冷却，完全是奔跑时的快速呼吸制造的一个附带的好处。从身体向脑部供血的主要血管是颈动脉，它在颅底分成几百支小动脉，在进入脑部之后重新汇合。就在分岔的途中，动脉中的热血被附近喉咙里快速流动的空气所冷却。这个有趣的冷却机制能使逃亡中的瞪羚保持最佳的决策能力。即使身体的其他部位不断加热，它的脑部温度却能大致恒定。可见这种动物的第一要务是维持控制中枢的恒温，而身体的其他部位就有一点变温的自由了。

    和出汗相比，喘息还有一个优势：出汗时，汗水会带走珍贵的盐分，所以才常有人告诫我们大量流汗时要喝下富含矿物质的饮料。而喘息时，唾液中的矿物质是留在体内的。不过，喘息也自有它的缺点，其中之一是需要肌肉的活动，而肌肉的活动本身又会制造热量(快速的浅呼吸对这个问题有所缓解)。没有一个办法是万全的。一切都是动物在漫长的历史中演化出来的适应性行为，目的是使生存的几率达到最大。

    多数大型哺乳动物都会出汗，其中的一些尤其明显。就连骆驼也会出汗，只是它们的汗水不容易发觉，因为在沙漠的干燥空气里，水蒸气几乎会立刻蒸发。人类的毛发已经差不多完全丧失，只留下一身裸露的皮肤。这层覆在体表的器官有大约200万个汗腺，分布在全身上下，手掌上最为密集，其他部位则稀疏一些。在下丘脑的调控之下，汗腺分泌出一种略带咸味的液体。这种分泌活动不受意识调控，也不完全由环境激发，压力或紧张也会使人流汗。这是一种效率极高的冷却手段，当人体的代谢增加，产生大量体热时，汗水能够迅速将热量排解出去。当你身着衬衣和长裤前往办公室，出太多汗或许不是什么好事，但是对我们的祖先来说，快速冷却有助于逃生，是有利野外生存的手段。

    目录

    第一章 98.6度

    不变的体温

    深入撒哈拉

    挺进南极洲

    当事情出了差错

    热度造成休克

    第二章 测量工具

    第一缕火光

    温度计的四位发明者

    来自麻省的伯爵

    蒸汽动力

    热力学的三条定律

    熵与生命

    第三章 读懂地球

    哥白尼的和谐

    牧师、律师和鱼类化石专家

    冰的循环

    冻土上的鲜花

    厄尔尼诺，过去和现在

    温室效应：基本原理

    温室效应：历史

    温室效应：政治博弈

    第四章 极限生命

    巴顿和毕比的探海球

    烤蛤一区：深海热泉

    一腔热血

    雪球地球

    生命的第三支

    熔化地球

    地外生命

    冰封两英里下的生命

    第五章 来自太阳的消息

    太阳核心

    宇宙浪荡徒

    热力旁白：伽莫夫、卢瑟福与核势垒

    一颗恒星的诞生

    黑洞和小绿人

    基础元素：氢和氦

    三度的质子，两度的中微子

    大爆炸和大挤压

    第六章 量子跃迁

    法拉第的完美气体

    最后的液体

    超导

    二象性、不相容性和不确定性

    低温世界

    爱因斯坦的冰箱

    钱德拉的旅行

    眺望未来

    迷人的温度截图