震驚！我能吃上炒菜原因竟然是因為……

skysun000001 2022-06-19 發(fā)布于北京

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先問個經(jīng)典的問題：為什么鐵鍋能炒菜？

？？？

我知道你們有點懵，但是這其實是個比較嚴(yán)肅的問題。要知道，在鐵鍋出現(xiàn)以前，中原地區(qū)的人幾乎沒有“炒”這個概念，烹飪食物一般都是采用燉煮蒸的方法。那當(dāng)時烹飪的容器呢？那當(dāng)然是陶器啦。

至于游牧民族一般怎么烹飪，那顯然是烤比較合適

問題就出在這個陶器上：陶器的加熱很慢，放熱也很慢。換個專業(yè)點的說法就是導(dǎo)熱性很差。如果你吃過砂鍋牛肉一類的東西，你一定會被叮囑過砂鍋很燙——畢竟上桌的時候不是用夾子夾上來就是用厚毛巾裹著端上來。

但是問題又來了，為什么不能等砂鍋完全熱了再倒油炒菜呢？

如果去問萬能的奶奶或者外婆，炒菜需要注意什么？她們八成會回答一個詞兒：“火候?！背床诵枰蠡鹈统?，這就是火候。

那有人就要問了，為啥砂鍋不能大火猛炒呢？還是因為散熱的問題。你一定聽說過熱脹冷縮這個東西。砂鍋實際上是陶瓷類制品，導(dǎo)熱性較差，驟冷驟熱會導(dǎo)致鍋體受熱膨脹的速度不一樣。炒菜時鍋內(nèi)油溫較高，驟然放進(jìn)涼的菜，加上鍋體的內(nèi)力不均勻，砂鍋很容易就會炸開。相比較下，鐵鍋無論是導(dǎo)熱性能還是結(jié)實程度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于砂鍋，因此適合大火猛炒。

當(dāng)然在鐵鍋出現(xiàn)前，中國不是沒有金屬器皿。但是青銅器皿產(chǎn)量不多，那只能是貴族使用。

廢話說了這么多，下面終于要進(jìn)入正文了——為什么固體導(dǎo)熱率差別如此之大呢？

首先咱們都知道，日常見到的東西都是由更小一級的東西構(gòu)成的。無論是有生命的還是無生命的東西，基本上都是由有機(jī)無機(jī)分子原子離子——為了中和陽離子電荷會有電子存在，這個下面會具體介紹——等等構(gòu)成的。當(dāng)然原子離子可以繼續(xù)細(xì)分，這個就不在我們討論之內(nèi)了。如果有人問我中子星怎么解釋，我只想說：

一般來說，物質(zhì)都具有三態(tài)——像氦那種開量子效應(yīng)掛的除外——分別是固液氣。在液體和氣體中，組成物質(zhì)的微粒并不固定在空間里固定一點，而是不斷地運動改變位置。這些微粒之間會互相碰撞，碰撞的時候也會互相交換能動量。所以如果你在微觀世界里看，液體和氣體就是超級多的碰碰車在瘋狂相撞，但是撞完之后碰碰車完好無損，只是交換了能動量。

那“熱量傳遞”該怎么解釋呢？物理上定義熱量是能量轉(zhuǎn)移的度量，因此本質(zhì)上是能量的交換。對于氣體來講，一個最簡單的模型是理想氣體模型，氣體的內(nèi)能只和分子平均動能有關(guān)，而平均動能又是和溫度有直接關(guān)系溫度的。因此對一坨氣體加熱的過程也就可以理解為不斷增加氣體的平均動能，然后在不斷碰撞中全體氣體的平均動能都增加，溫度也就升高了。對于液體，雖然分子間勢能已經(jīng)不可忽略，這個模型也是可以用來定性分析的。

那么對于固體呢？這個模型顯然是失效了。因為固體中的粒子是在穩(wěn)定的位置附近振動的——也就是說，根本談不上碰撞，也沒辦法用碰撞理論來解釋導(dǎo)熱了。

那固體就不導(dǎo)熱了嗎？不能夠啊，不然鐵板燒存在的意義是什么呢？那固體導(dǎo)熱機(jī)理是啥呢？這就要講到固體物理中一個極為重要的概念——準(zhǔn)粒子。剛才提到過，固體中的粒子是在穩(wěn)定的位置附近振動的。物理上對振動有個簡單的處理方式——諧振子，就是把這一長串的粒子看成一大坨彈簧的疊加。至于彈簧的動能和勢能，這是十分容易寫出的。

實際上這種處理方式僅限于晶體，因為非晶體不屬于嚴(yán)格意義上的固體，而是屬于粘稠度極大的液體。著名的瀝青實驗證實了這一點。這似乎能解釋為什么非晶體的導(dǎo)熱一般都比較差。

那這些等效彈簧會不會互相影響呢？這是必然的，哪有這么好的彈簧安排（樂）。但是利用線性代數(shù)可以證明，通過一系列的坐標(biāo)變換，可以化簡為同樣數(shù)量的、各自獨立的彈簧。變換之后獨立的坐標(biāo)稱為“簡正坐標(biāo)”，在簡正坐標(biāo)下處理就簡單得多。而諧振子模型還有另一層含義：量子效應(yīng)。

在量子力學(xué)中，諧振子的能量是量子化的，只能取分立的值。此外，當(dāng)一長列粒子在穩(wěn)定位置附近振動時，這實際上對應(yīng)了量子場論的一個模型：一維弦的量子化。因此如果采用量子的語言來解釋，諧振子的振動模式在行為上可以對應(yīng)到一些新粒子，每次諧振子能量的升高都對應(yīng)著產(chǎn)生粒子。這些粒子攜帶著動量與能量，相互之間也能發(fā)生能動量交換。但是這些新粒子并不實際存在，僅僅是因為可以等價描述諧振子的振動而被構(gòu)造出來。因此它們被稱為“準(zhǔn)粒子”。在固體物理中，粒子在晶格中的振動有兩種模式，其中一種被稱為聲學(xué)支，因此這種準(zhǔn)粒子也被稱為聲子。

不是這個聲子啦￣□￣｜｜

既然有了聲子的概念，導(dǎo)熱也就可以解釋了。熱量傳遞可以看著是這種準(zhǔn)粒子的運動，溫度高的地方聲子數(shù)多，溫度低的地方聲子數(shù)少，這就類似于氣體的擴(kuò)散運動。通過和氣體類似的方法，就能獲得固體的熱導(dǎo)率。

于是我們終于能夠回答開頭的問題了。引入聲子的概念后，回答大概是這樣的：不同的固體聲子擴(kuò)散速度不同，因此導(dǎo)熱率也大相徑庭。

當(dāng)然有人要問了，啊為什么不能直接用振動來處理呢？畢竟波的傳播也是能量在傳播啊，好比有個人在這一頭甩動繩子將能量傳到另一頭一樣。話是這么說不假，但是準(zhǔn)粒子的概念讓描述固體導(dǎo)熱更為方便。此外，由于固體中的量子效應(yīng)在宏觀的表現(xiàn)是不可忽視的，準(zhǔn)粒子的優(yōu)勢是顯而易見的。

聲子是準(zhǔn)粒子，而準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生與性質(zhì)的測量是固體物理的一個重要方向。不光是導(dǎo)熱，在模擬高能物理預(yù)言的粒子方面，準(zhǔn)粒子也有著重要的作用?？梢哉f，這是一個充滿前景的方向。

圖文 / 中國科學(xué)院大學(xué) 花祝同

編輯 / 中國科學(xué)院大學(xué) 陳中旻

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

來源：SIYI Laboratory