走进后相对论时代（一百零七）

    刘文旺

b、外扰下的热力学系统

A、当一个体系与另一个温度低（高）的系统接触时，在这一方向的粒子运动速度会降低（增加），整个体系的粒子速率或能量的分布就不满足统计公式，整个系统的粒子间的碰撞情况就会发生变化。粒子间的碰撞结果，会使这一体系减速的粒子增速。从而在使能量的分布趋于满足统计规律的过程中，整个系统的能量向低温方向转移。这就是热传递的本质或者说产生原因。

     B、当一个体系向某一方向扩张（收缩）时，粒子对外做功（接收功），在这一方向的粒子动能减小（增加），整个体系的粒子速率或能量的分布出现对统计公式的偏离，系统的粒子间的碰撞，会使这一体系的粒子的能量分布趋于满足相应的统计规律。这样，在粒子经过碰撞而使能量的分布趋于满足统计规律的过程中，使减速的粒子加速，从而使整个系统的能量，向外（内）转移。这就是发动机燃气内能转化为活塞-汽车动能的过程。

     C、当一个体系存在一个势垒时，在这一方向的粒子动能转化为势能而减速，整个体系的粒子速率或能量的分布出现对公式的偏离，系统的粒子间的碰撞，会使这一体系的粒子的能量分布趋于满足相应的统计规律。这样，在粒子经过碰撞使减速的粒子加速，而使能量的分布趋于满足统计规律的过程中，整个系统的能量向势垒方向转移。使部分粒子越过势垒，这就是隧道效应的本质。

     金属善于传热是因为金属含有大量的自由电子，这在碰撞过程中起到了能量传递的作用；而非金属不善于传热，是因为只含有少量的可以自由移动的电子，这制约了在碰撞过程中能量传递过程。

     如图3所示，对于一个多粒子体系，单一的粒子拥有的动能不能穿过势垒时，但彼此间不间断的碰撞过程，会使上升到某一高处损失能量的粒子，从相邻的其他粒子处通过频繁的碰撞得到能量的补充，从而使前面的粒子就有可能在不断得到能量补充的情况下，越过势垒。

     一个典型的例子就是，蒸发现象可以在液体的任意温度下进行。这是因为，不管是在怎样的温度下，液体粒子间的碰撞会使粒子的能量分布满足麦克斯韦—波尔兹曼分布，这样总有少数的粒子在与其他粒子的碰撞中获得能量，从而能挣脱相邻粒子的束缚从液体中蒸发出来。这充分体现在，蒸发后体系的温度降低、内能减小上。

     从这里的分析可知，对于微观世界粒子群来说，单一粒子的能量不足以越过势垒时，由于粒子间碰撞的存在，会产生能量的定向转移，从而使某一些粒子有足够的能量越过势垒。

     当然，由于体系的总能量有限而且能量的分布还要满足确定的统计规律，因此，依靠彼此间交换能量实现穿越势垒的厚度是有限的。这体现在如下的事实中：1、温度越高，高能粒子所占的比例增加，蒸发越快；2、理论计算表明，对于能量为几电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10埃时，粒子透射概率减小到10^-10，几乎为零。

     在有外在力场的加速或环境温度较高时隧道效应会更明显。如在有两种不同金属夹一块绝缘材料时，由于接触电位差的存在。会促进隧道效应的产生，如上边提到的Al/Al₂O₃/An隧道结，由于Al与An之间存在接触电位差，因此，有利于其中电子贯穿绝缘体Al₂O₃。半导体的烧穿过程是一个随温度的升高的非线性过程，体现的就是温度的升高，这种贯穿现象非线性增加的事实。

1962年，年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。

     面对绝缘体的存在，金属中的电子在这里的运动受到阻力的作用而减速，而相邻的电子在与其的碰撞的过程中，会向其传递动能，从而使其拥有的动能增加，这样就促使了这个电子继续前行。这一过程不会结束，这样在不断的碰撞过程中，向绝缘体运动的电子会逐渐向绝缘体的深层运动。这一过程消耗的能量，使金属中的电子群的能量减少，温度降低。整个体系会从环境吸收热能，而推进电子向绝缘体中运动。理论上讲，只要有足够长的时间，无论绝缘体有多厚，都会有电子穿过它，这也是不同的金属长时间放在一起，会连接在一起的原因，这一过程随环境温度的增加而增强，这一过程与我们熟知的热传递过程没有本质的区别。当然，由于电子会与绝缘体的碰撞而消耗能量，因此，产生明显的具有实用性的隧道电流——电流强度较大，是有一定的厚度限制的；当有外加电场存在时，这一外加电场的作用，更加明显了，它使在向绝缘体运动的电子不断得到能量，再加上相邻电子的定向运动的撞击，从而产生电子穿透绝缘体。在这些过程中，都有一个能量的积累过程，这就是说这一过程需要时间。

需要补充的是。电子之间的碰撞不一定是宏观粒子或物体间的直接碰撞，因为电子存在电场，电子之间可以通过电场之间的斥力产生碰撞现象。

单电子隧道效应，是一个包含极少量电子的粒子群（库仑岛）发射电子的现象。

其能量由电势能及电子间相互作用库仑能组成。在加较小电压下，该库伦岛体内的电子不具备足够的能量，故电子不能穿越库仑岛——库仑阻塞。通过给库仑岛加栅压（工作电压）可以改变其电势能及总能量，在某个特定的栅压下，会发生单个电子隧穿库仑岛的现象，称为单电子隧穿效应。

     现有理论认为，此时库仑岛电荷的最小能量是简并的，我认为不是这样，因为在较小的电压下，库仑岛电荷的最小能量更处于简并状态，为什么没有电子出来？这体现的不是单个电子独自产生贯穿现象，而是库伦岛中电子间通过碰撞而交换能量。再加上栅压的加速作用共同产生的。

2、植物吸水

     把植物的茎折断，从这里会溢出液体这一现象称为伤流，流出的液体称为伤流夜。在伤口处套上软管接上压强计就能测出压强（植物学中称压力）来，这种由根的生理活动，使伤流从根部上升的压强（压力）称为根压。大多数植物的根压不超过0.2MPa。

     植物的根压能使水进入到植物体内，但植物的根压一般只有0.1-0.2MPa，最多使植物体内的水上升到大约20m的高度。那么，对于高大植物，水分是怎样输送到植物顶端的哪？

     现有理论一般认为靠蒸腾作用。英国人H·H·Dixon提出了内聚力学说，蒸腾-内聚力-张力说：植物顶端由于不断的蒸发而损失水分，这样依靠水分之间的拉力——内聚力，使得水分从上到下产生水分子链——水柱。这种以水分子之间有较大的内聚力，而保证从叶片到根的水柱不发生断裂的水分上升学说，被称为内聚力说。

     我认为这个学说存在问题，水分子在植物体内运输时，并不是沿竖直方向排列的，在植物细胞内外的运动也是随机的热运动。而不是单向的向上运动。这种无序的热运动的存在，否定了手拉手的定向运动。

水分子间的手拉手运动，不发生断裂是不可能的。这可以从水管上滴下的水滴看出。我做过这样的实验：放慢自来水的速度，当自来水管中流下的水线逐渐变细后，水分子之间就逐渐出现断裂。水滴从下到上明显体现出来。水滴的大小不到0.5cm。这又怎能产生植物体内上百米长的水柱？

     那么，不存在手来手的水分子体内的运输，植物又是怎样吸收水分的那？

关键就在于植物体内细胞内外水分子的热运动上。

     水分子通过渗透压等的作用从土壤中进入到植物体内。由于热运动的无序性。会存在大量的水分子沿竖直方向运动。由于受到重力的作用，使得向上运动的水分子的动能逐渐减小，由于热运动中水分子的能量分布要满足相应的统计规律，这时，相邻的水分子会在不间断的热运动中与其发生碰撞，向其传递能量。使其从一个细胞进入到上一个细胞。在这一过程中，水分子也不是总向上运动，其基本的运动形式仍是无序的热运动。这一点充分体现在细胞中各种生物分子的运动，是一种热运动上。存在于植物的细胞内的水分子，会依靠细胞骨架等的支撑在这里停留一段时间积累能量然后再上升。

     在这一过程中，上升的运动或使其能量减小温度降低，这时植物会从环境吸收能量。使水分子始终处于热运动状态。

     我们知道，细胞中的营养物质、代谢废物等都是靠溶解在水中得以运输的。水分子手拉手向上运动，其中溶解的生物大分子怎能在细胞内外做无序的热运动？细胞中各种生物大分子的无序热运动体现了水分子热运动的存在。

     从这里的分析可知，植物体内的水分的上升运动，是由水分子之间的碰撞产生的。所需要的能量，就是从环境中吸收的热能。这一点充分体现在如下的事实中。我们来到大自然中就会发现，植物的温度总是低于环境的温度。除了蒸腾作用外，还与水分子上升运动消耗了动能，运动速度降低，温度降低有关。辨别真花与假花用手摸一下花的茎就知道，真花凉假花温。

   在一个未盛满某种化学药品的容器中，有大量的药品流到了容器的外边。这是怎么实现的？其实，这就是其中的液体分子在彼此间交换能量的条件下，溢出了容器外，蒸发后留下了溶解在其中的化学药品。

由于植物可以从环境中吸收用不尽的热能，因此，植物体内的水分子上升的高度没有上限。

世界上最高的树——澳大利亚的杏仁桉，一般都高达100米以上，最高的竟达156米能吸收水存活就证明了这一点。

4、动态原理在光学中的应用

当传递电磁波介质处于热平衡状态时，麦克斯韦方程组拥有不变的形式。因此，电磁波的波速与介质的匀速直线运动状态无关，具有各向同性——M-M实验中光速不变；当传递电磁波介质未处于热平衡状态时，麦克斯韦方程组拥有变化的形式。因此，电磁波的波速与介质的运动状态有关——菲索实验。

（未完待续）