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凝重浮轻混沌开——杂说气(2)

已有 8721 次阅读 2018-8-28 08:29 |个人分类:谈天说地|系统分类:教学心得| 气体, 密度, 凝聚态, 淮南子, 气质

 

凝重浮轻混沌开——杂说气2)

旧时代的孩子读书,除了“三百千”之外,《幼学琼林》也是大多数人必读的“训蒙读物”。这部书开篇就说世界的来源,它是这样开头的:

“混沌初开,乾坤始奠。气之轻清上浮者为天,气之重浊下凝者为地。”

你看,世界一开始是“混沌”,只是一团气,混混沌沌。后来,分开来了。轻的气上升,成为天,重的气下降成了地。在这里,气是比天地更悠久的东西,也是形成天地的原始材料。

轻的气上升成为天,重的气下降成为地。轻的上升、重的下降,这是人们的“常识”(不言而喻,这里的轻、重绝不是指质量的绝对大小,而是指密度)。但是,撇开对于古人观点完整评论,仅仅就事论事地看着句话,用现代科学的眼光看,这里似乎有些问题。

有人恐怕立刻会说道:“没有地之前怎么会下降?地球的物体会往下掉,是由于地球引力的作用。在没有地球之前,这些重的气体,之所以能够聚在一起,是由于万有引力。”

确实,如果真有那么大的一团原始气体,它们能够聚在一起的原因是万有引力。这也是如今地球上的物体都有往下掉的趋势之原因。

所谓地,通常情况下面就是指地球上的固态或液态物质,而离开地面最近的天,就是指空气,我们通常所看到的蓝色的天或灰蒙蒙的天,都是由于空气的缘故。

但是,确定一种物质在通常的温度下究竟是凝聚体(固体和液体)还是气体的,却并不是万有引力,而是原子或分子之前的作用力,这是一种电磁相互作用。对于气体,较重的气体是由于组成这种气体的原子或分子的质量较大。因而,上面的这句话可以这样说,决定物质熔点高低的,并不是组成该物质原子或分子的质量大小,而是这些原子或分子之间的作用力。所以,“气之轻清上浮者为天,气之重浊下凝者为地”是不正确的说法,也就是说,并不是重的气体变成了凝聚态的地,而轻的气体形成了地球表面的空气即古人所谓的天。

我们举一个例子,就可以看得很清楚。我们以水和氧气为例。

组成水是水分子,组成氧气的是氧气分子。以原子质量单位,水的分子量是一个氧原子加两个氢原子的质量,约18,而氧气的分子量是两个氧原子的质量,约32。氧气分子比水分子“重得多”。可是,水在常温常压下是凝聚态,液态,而氧气则在常压下要到-183℃才变成液体

众所周知,氧原子在与氢原子结合的时候,由于氧原子吸引电子的能力比氢原子强,所以,在氧原子与氢原子之间,氢原子所带有的电子会被氧原子吸引到偏氧原子这一边,这样,氢原子一端便显出带正电,而氧原子一端呈现出带负电。又由于组成水分子的氧原子和两个氢原子不在一条直线上,三个原子成三角形,这样整个分子在氧原子一侧带负电,而两个氢原子一侧带正电。也就是说,水分子是有极性的。当两个水分子接近的时候,一个分子中的氧原子一侧便会与另一个分子中的氢原子一侧发生很强的相互吸引。许许多多水分子在一起,由于分子之间的强烈的相互吸引,使得单个水分子不大容易离开这个“集体”,也就是容易“凝聚”在一起,形成液体。

而两个氧原子组成的氧分子,由于两个氧原子吸引电子的能力是一样的,所以整个分子的正电荷的重心和负电荷的重心是重合的,在分子外围总体上并不显示出电性。这样的分子是非极性的。但是,由于分子中的原子核总处于不断的振动状态,电子更是以极高的速度在运动着,所以,所谓正负电荷重心的重合并不是严格的和不变的,而是随时都有“瞬时的不重合”,这样,两个氧分子都会有瞬时的极性,它们之间还是有瞬时的吸引力。但是,与水分子之间的很强的相互作用相比,这种瞬时的吸引力就很了。在温度很低的(如-183)情况下,也就是各氧分子的动能很小的情况下,氧分子才能够聚集起来形成液体。温度高了,即氧分子动能大了,就能够冲破这种瞬时吸引力的束缚,各自跑到空中,成为气态。

这样,看起来比较“轻”的水分子,由于分子间作用力很大,在常温下是凝聚态,而比水分子“重”得多的氧气,在常温下却是气体。当然,我们还可以看到更极端的例子,单原子分子氡的分子量达222,是水分子质量的12倍还多,是一个很重的家伙,可是常温下也是气体。我们在一些新造的房子里,总要去查一下,看看这个很重的气体是否超标,因为氡气是有放射性的,超标了就会对我们的身体产生危害。

所以,用分子的轻重来判断气体分子会“上升”还是“下为地”是不成立的。一种物质在常温常压下是气体还是凝聚体,要看这些原子或分子之间的作用力的大小。这种作用是电磁作用,而不是万有引力。在凝聚态的原子或分子相互作用的距离下,电磁相互作用比万有引力要大得多得多,与电磁相互作用相比,万有引力完全可以小得忽略不计。

我们还可以顺便说一下,即使在空气中,也不是重的气体都聚集的下方,而轻的气体都在较高的地方。如果真要是这样,空气中较重的成分如二氧化碳、氩气等都聚集在靠近地面的附近,那么我们人和所有的高等动物都无法生存了,都会被不能支持我们呼吸的氩气和二氧化碳“淹死”。之所以不会出现这种情况,是因为空气中分子之间的间距很大,分子动能对于分子运动的作用,比“万有引力”重要得多。(见我过去的博文《 我们为什么没有被二氧化碳和氩气“淹没” 2017-3-19 http://blog.sciencenet.cn/blog-612874-1040305.html 

《幼学琼林》虽然是公元17世纪明代的著作,不过我们上面引用的那句“气之轻清上浮者为天,气之重浊下凝者为地”,实际上出自公元前的西汉的著作《淮南子》。它所说的,虽然并不符合如今科学的看法,但仍然不免为一种物质自然创世的很天才的观点。这里的气,仍然是物质。《淮南子》认为,日月星辰,水潦尘埃,风雨雷霆,雾露霜雪,高山大丘都是由气所变化而得。

那么,气从哪里来的?《淮南子》是这样说的天地未形冯冯翼翼洞洞,故曰太昭。道始于虚廓,虚廓生宇宙,宇宙生气。”这里,也基本上说的是自然变化,并没有神的影子。

不过,中国的很多古人在叙述问题的时候,往往不大讲逻辑。同一个气字,说话之中,其含义便在不知不觉中变掉了。

例如,朱熹说:“天地之间,有理有气。理也者,形而上之道也,生物之本也。气也者,形而下之器也,生物之具也。是以人、物之生,必禀此理,然后有性,必禀此气,然后有形。”他又说:“阳变阴合,而生水火木金土。阴阳,气也。生此五行质也。……五行阴阳七者滚合,便是生物底材料。这里所说的气,也似乎都是物质的气。他说很清楚,气是“形而下之器”,是“生物之具”。当然,这里的“生物”是产生物体的意思,不要误会成了现代意义上的“动植物”之类的“生物”。

但是,朱熹又说:“人、物并生于天地之间,本同一理,而禀气有异焉。禀其清明纯正则为人,禀其昏浊偏驳则为物。”这里的禀是承受的意思,承受不同的“气”,可以为人,也可以为物。又说:“气之为物,有清浊昏明之不同。禀其清明之气而无物欲之累则为圣;禀其清明而未纯全,则未免微有物欲之累而能克以去之则为贤;禀其昏浊之气又为物欲所蔽而不能去则为愚为不肖。是皆气禀物欲之所为,而性之善未尝不同也。”不但为人或为物是禀气的不同,都是为人,其为圣、为贤、为愚、为不肖也都是因为秉承了不同的气。他还进一步说:“人之禀气,富、贵、贫、贱、长、短,皆有定数寓其中。”这里的气,到底是什么样的“东西”,就不清楚了。它是如此“微妙”,以至于我们可以怀疑它是否是“物质”了。

古人所谓的“气质”大概就是指禀到这样的“气”吧。禀到什么样的气,便有了什么样的气质。这样的气,似乎就逐渐引申到精神的领域里中去了

上次我说过,气既有“化学性”却又有“诗性”。对于物质的气,我们说它的质量、密度、动能、原子分子间相互作用,严格得很,也准确得很。但是,说到精神领域的气,那就是另外一码事情了。不过,这一篇够长了,请看下一篇。




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