前  言

  太初有道……

(约翰1∶1《新约·约翰福音》第1章第1节, 即开篇第一句话.译文引自《圣经》和合本--译注, 公元1世纪)

考虑太阳光束.每当你让太阳的光线投射进来，

斜穿过屋内黑暗的厅堂的时候，

你就会看见许多微粒以许多方式混合着，

恰恰在光线所照亮的那个虚空里面，

像在一场永恒的战争中，不停地互相撞击，

一团一团地角斗着，没有休止，

时而遇合，时而分开，被推上推下.

从这个你就可以猜测到：

在那更广大的虚空里面

有怎样一种不停的原子的运动，--

(物性论, C. LucretiusC. Lucretius(卢克莱修), 约公元前99年-前55年, 古罗马哲学家.这里的译文引自《物性论》,略有改动,方书春译,商务印书馆,1981,第67页;译林出版社,2011,第66页--译注,公元前1世纪)

……(我们)整天劳苦受热.

(马太福音 20∶12《新约·马太福音》第20章第12节. 译文引自《圣经》和合本.这里“苦”和“热”的英文“work" , "heat”在字面上分别相应于热力学与统计物理学中的“功”和“热”,即与可以改变热力学系统状态的两种方式: “做功”和“传热”相联系--译注, 公元1世纪)

热物理构成任何本科生物理课程的一个核心部分,它既包括经典热力学(主要是在19世纪建立的,并且是由希望理解热机使用中热转化为功这个问题所驱动的)的基础,也包括统计力学(由Boltzmann以及Gibbs建立,它关注系统的基本微观态的统计行为)的基础.学生常常发现这些专题是非常难以理解的,这个问题是与不熟悉数学特别是概率统计中的一些基本概念相关的.此外,传统的热力学关注蒸汽机, 而这些对于21世纪的学生而言似乎是遥远的,并且很大程度上与他们是不相关的.这是非常遗憾的事情,因为理解热物理对于几乎全部近代物理以及在本世纪中我们所面临的重要技术挑战都很关键.

本书的目的是介绍热物理中的一些核心概念,通过来自天体物理,大气物理,激光物理,凝聚态物理以及信息论中的许多近代例子充实这些方面的内容.对重要的数学原理,特别是与概率统计相关的原理进行比较详细的讨论,力图补充一些材料,而不再自动假定它们已包含在各学校的数学课程之中.此外,附录中包含一些有用的数学知识,例如各种积分,数学结果以及恒等式.遗憾的是,掌握研究热物理所需的数学并没有捷径,但是附录中的材料提供了有用的备忘录.

关于热物理这个学科的许多教程是按照历史发展来讲授的: 先讲授气体动理学理论,再是经典热力学,最后是统计力学.在其他一些教程中,先由经典热力学原理开始,然后接着是统计力学,直到最后才是动理学理论.尽管两种方法各有优缺点,我们着力于一种更为有机统一的处理方法.例如,我们用一种直截了当的统计力学观点引进温度,而不是基于有些抽象的卡诺热机.然而,我们确实将对配分函数以及统计力学的详细讨论推迟到介绍了态函数之后,这使得对配分函数的计算更为方便.我们相对比较早地介绍气体动理学理论,因为它提供了一个简单且很好定义的平台,可以在其上使用概率分布的一些简单概念.在牛津大学开设的课程中,这种方法效果良好.但是在其他一些地方,因为动理学理论仅在课程较后的阶段才学习,我们已设计本书的内容安排,使得省略动理学理论的章节不会引起一些问题,详情参见第10页的图1.5. 此外,本书中的某些部分包含一些更为高等的材料(常常置于方框中,或者书的最后部分),在初次阅读时可以跳过这些部分.

本书编排为一系列短而易于消化的章节,每一章介绍一个新概念或者说明一个重要的应用.大多数读者可以从示例开始学习,书中给出了许多有计算过程的实例,以便于在引入概念时读者可以逐步熟悉这些概念.每章末提供了一些练习题,使学生可以进行方方面面的实际应用.

在选择要包含哪些专题, 应该达到什么程度时, 我们力求在可教性和严格性之间达到平衡, 通过给出足够多的细节提供一种易理解的方式介绍专题,满足更为高等的读者.我们也试图在基本原理和实际应用之间进行平衡.然而,本书并不在任何工程学的层次上处理实际的热机,也不冒险涉及深奥的各态遍历理论.不过, 我们希望本书对于理解热物理的严密基础已提供了足够的材料,所推荐的进一步读物指明可以参考的附加材料. 贯穿本书的一个重要主题是信息的概念以及它与熵的联系.在本前言开头所指出的黑洞，它的表面覆盖有信息“比特”，是一个体现信息、热力学、辐射和宇宙之间深刻联系的有帮助的图像.

热物理的历史是令人神往的历史,我们提供了热物理中一些主要开拓者的简短的传略片段.为确立列入的资格，选入者必须已做出过一项特别重要的贡献和/或者是具有特别有趣的生平并且是已去世的！因此，人们不应该从已选定的人物名单中断定热物理学这个学科在任何意义上是已完成的，用相同的观点来写这个学科当前的工作会更难. 传略是简短的，仅仅给出生命故事的一瞥，因此详情请查询书后参考文献中列出的更全面的传记列表.在主体内容的叙述中穿插一些传略用以提供一些轻快的调剂,并表明科学是一项人类共同努力的事业.

非常高兴在此致谢,感谢当我们在剑桥大学读本科时为我们讲授这门学科的那些老师,特别是Owen Saxton和Peter Scheuer, 感谢我们在牛津大学的朋友：我们得益于与物理系许多同事的有启发性的讨论,牛津学生聪明的提问，以及曼斯菲尔德学院和圣约翰学院提供的相互激励的环境. 在本书写作过程中，我们受到来自Snke Adlung以及牛津大学出版社他的同事持续不断的鼓励，特别是Julie Harris提供的最高级别的LATEX支持LATEX是一种科技排版系统.所谓支持是指通过宏包或编写代码实现特殊的排版效果.--译注.

    牛津以及其他地方的许多朋友和同事非常友好地腾出时间阅读本书各章的初稿,他们对书稿进行了许多有益的评论,这极大地改善了最后的书稿,他们包括:Fathallah Alouani Bibi, James Analytis, David Andrews, Arzhang Ardavan, Tony Beasley, Michael Bowler, Peter Duffy, Paul Goddard, Stephen Justham, Michael Mackey, Philipp Podsiadlowski, Linda Schmidtobreick, John Singleton以及 Katrien Steenbrugge. 特别感谢Tom Lancaster,他两次阅读本书早期的全部手稿,提出了许多建设性和富于想象的建议,也感谢Harvey Brown的总是富有激发性的洞察力以及持续不断的鼓励. 对所有这些朋友表示我们最诚挚的谢意. 在本书出版后我们所发现的错误将被张贴在本书的网站上，地址如下：

http://users.ox.ac.uk/~sjb/ctp/

我们真诚地希望本书能使热物理的学习愉快和令人神往，希望我们已努力将对这门学科我们所感受到的热情中的某些东西传达给读者. 此外，理解热物理学的概念对于人类的未来是至关重要的，即将面临的能源危机以及气候变化可能产生的潜在后果要求最高层次上的创新和科技革新. 这意味着热物理学是一个一些明天最优秀的人才今天需要掌握的领域.

斯蒂芬J.布伦德尔,凯瑟琳 M. 布伦德尔

牛 津