胡志宇教授：我写《温度简史》

温度是衡量物体冷热程度的基本物理量，从宏观上决定了物体与外界的热传递方向（如高温物体向低温物体传热）；从微观本质来看，它反映的是物体内部分子、原子等微观粒子无规则热运动的剧烈程度——微观粒子运动越剧烈，物体的温度越高；运动越平缓，温度则越低。对热冷的感知是人类体验的基础，然而找出测量温度的方法却难倒了很多前人。目前尚不清楚是古希腊人还是中国人最早找到测温的方法，而温度传感器的历史可以追溯到文艺复兴时期。自开天辟地以来，世界上的所有物质，从太阳到宇宙、从恐龙到人类，都在一定的温度条件下存在。

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胡志宇 著

北京: 科学出版社, 2026. 9

ISBN 978-7-03-083519-2

在写作《温度简史》一书的过程中，我深深地感受到人类探索自然、认识自然，并进一步改造自然的过程是那么荡气回肠、彪炳千秋，这一过程，充满了壮丽的历史场景和不朽功绩。一批又一批富有才华的学者、科学家和工程师凭借他们的智慧和不懈努力，使人类摆脱了中世纪的迷信和无知。他们以独特的思考、归纳和分析能力——尽管当时的实验条件和工具非常原始和简单——取得了卓越的成就，如热力学定律、能量守恒定律、麦克斯韦方程等。他们的成就充分展示了人类文明的光辉，因此几百年来他们获得了全世界不分国度、种族、年龄的人们的高度认可与尊重（如他们的雕塑与画像被置于世界各地的广场、博物馆与学校里）。他们中的一些人甚至获得了在古代需要通过赫赫战功才能够获得的爵位，并且在他们过世后获得国葬的待遇，遗体被安放在国家最为神圣与庄重的场所中供后人凭吊与瞻仰。他们的成就是整个人类的共同骄傲，值得我们学习与效仿！

几千年来这些学者、科学家、工程师创造了伟大非凡的科学成就与工程奇迹。他们质疑现有的信念，挑战常规认知，并踏上了发现之旅。他们的革命性观点和开创性理论拓展了人类知识的边界，并为现代科学奠定了基础。

同时，他们与我们一样也都是有血有肉、敢爱敢恨的普通人。这些非凡的个体中，许多人都曾面对来自同时代的反对、怀疑和敌意。他们的观点遭到了嘲笑和蔑视，常常被视为异端或被排斥。他们常常面临个人生活和职业上的困境，忍受了他人的批评、谴责，甚至遭受迫害。然而，他们在追求真理的道路上始终坚定不移，无论遇到什么障碍都不动摇。他们坚定的决心和挑战现状的勇气最终导致了范式的转变和科学的革命，将人类文明向前推进，为后代铺平道路。

瓦特是英国著名的发明家和机械工程师。他改良了纽科门蒸汽机，奠定了工业革命的重要基础，是工业革命时期的重要人物。从瓦特时代开始的统热能到电能的转换方式已不能满足信息化时代用电方式的需求。据不完全统计，世界上有近千个团队在大学、研究所与工业界开展热电相关领域的工作，以期尽早突破技术瓶颈、占领市场。然而，一个多世纪的实践证明，寻求经济可靠的热电产业化技术路径仍然充满各种挑战。

这些先驱者的不懈努力扩展了我们对宇宙和自然世界的认知。物理学、化学、生物学和数学等领域的概念和理论源于他们的开创性工作。从热力学定律到能量守恒定律和麦克斯韦方程，这些科学巨匠在人类文明史上留下了不可磨灭的印记。

几千年来人类的成就证明了人类的好奇心和追求真理的顽强精神的重要性。尽管面临巨大的挑战，但学者、科学家和工程师的坚定奉献推动了人类集体知识的前进。站在这些巨人的肩膀上，我们有责任传承他们的精神遗产，并拥抱前方无限的可能性。科学探索之旅仍在继续，通过我们持续的努力，我们将对宇宙和我们在其中所处的位置有更深入的认知。

作者团队研发的“二维平面催化燃烧图案”（Nano Energy，2017，42：195-204）示意图

我曾经在大学教授过多年的物理系本科核心专业课——热学，后续陆续开设“未来能源技术”“芯片发电技术基础与应用”“碳中和技术与实践”“微纳世界导航”“世界能源危机解决之道”等多门交叉学科课程。为持续完善教学体系、提升课程质量，我长期致力于相关领域的文献研读与资料收集。在此过程中发现一个值得关注的现象：作为传统“四大基础课程”之一的热学，其主流教科书内容相较于经典力学、电磁学、量子力学等其他核心课程，显得相对单薄且更新滞后，这与热能、温度在自然界中的普遍性及在能源、材料、环境等领域的广泛应用形成了鲜明反差。为探究这一现象的成因，我通过诺贝尔奖官方网站检索“热”（heat）、“温度”（temperature）、“热动力学”（thermodynamics）等相关关键词，发现自1901 年该奖设立以来，明确以热学及温度相关研究为核心授予的奖项仅有寥寥数次，其余多为热学与其他学科交叉领域的成果获奖。这一现象或许从侧面反映了热学领域基础研究的突破性进展相对滞后，进而在一定程度上影响了教科书内容的丰富度与更新频率。

与“热”和“温度”相关的诺贝尔物理学奖

（引号中的内容是诺贝尔奖委员会给出的获奖理由）

1978 年，彼得·列昂尼多维奇·卡皮察（Pyotr Leonidovich Kapitsa）“在低温物理领域的基本发明和发现”

1928 年，欧文·威兰斯·理查森（Owen Willans Richardson）“在热电子现象方面的工作，特别是发现了以他的名字命名的定律”

1913 年，海克·卡默林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）“研究低温下的物质特性，尤其是这些研究导致了液氦的产生”

1912 年，尼尔斯·古斯塔夫·达伦（Nils Gustaf Dalén）“发明了自动调节器，与气体蓄电池配合使用，用于照亮灯塔和浮标”

1911 年，威廉·维恩（Wilhelm Wien）“对热辐射定律的发现”

1910 年，约翰内斯·迪德里克·范德瓦耳斯（Johannes Diderik van der Waals）“关于气体和液体状态方程的研究”

石器时代的结束，并不是因为所有石头被用完了，而是人类发明了更加有效的工具。随着微纳尺度的测量与研究手段的进一步发展，相信未来会有更多与热和温度相关的研究获得诺贝尔奖级别的成就。

人类对世界的探索是一项伟大而又永恒的任务。世界的复杂性和多样性使得我们永远无法穷尽其奥秘。世界之大、宇宙之浩瀚，还有很多有待于我们去发现的万千事物和去认识的自然规律。在此，特借本书与各位读者共勉，我们要继续探索世界、认知世界，为人类构筑一个与自然更加和谐的社会环境与更加有效的科学体系——一个更加美好的、绿色的、可持续的世界！

“热的尺度效用”理论对于未来设计与建造微纳尺度热机具有重要的指导意义

1954 年诺贝尔物理学奖获得者、量子力学奠基人之一，德国科学家玻恩对热的定义为：它必须通过不包括物质转移的路径发生。“热的尺度效用”表明：当两个物体的温度一样时，由于它们尺度大小、体积、质量等的不同，会对周边环境、物体温度，以及热梯度的建立、热能的传递效率与传递方式等产生显著的影响。在微纳尺度，“热的尺度效用”会直接影响热梯度的建立、声子与电子的输运方式、界面效用、量子限域效用等，从而会对传热与电导产生很大的影响。

作者团队发表的论文与“热的尺度效应”示意图

热电能源转换技术，是一种零排放的清洁能源技术，它基于材料内部的电子声子耦合效用，实现热-电能源直接转换。在宏观尺度下制造热机时，通过提高绝对温差来提高热机发电效率。因为大的温差可以提高热梯度（热梯度= 温差/距离），进而提高热机能量转换效率。在微纳尺度，通过在小温差条件下大幅度减小距离来建立超大梯度（如1℃/μm = 1000℃/mm，这样超大的热梯度是在宏观条件下无法实现的），从而提高能量转换效率。对于热电材料而言，巨大的热梯度会极大地改变热电势、热载子的运动模式与运动速度，进而引起热导率、电导率等的变化。“热的尺度效用”理论对于未来设计与建造微纳尺度热机具有重要的指导意义。

作者团队研发的高集成大阵列MEMS发电芯片与扫描电子显微镜照片

给机器人和人体可穿戴设备供电

利用先进的微纳加工技术制造的微机电系统（MEMS）可以把自然界中无处不在、无时不在，且长期被忽视的微小温差（如室内外温差、海洋不同深度海水温差、人体和环境间的温差、工业废水废气与环境之间的温差等）转换为电能，从而解决当前需要的长期稳定无源能源供给问题，以及能源供给系统维护复杂和使用寿命不足的问题，并极大地提高在外太空探测等方面的能力。基于辐射制冷的微小温差发电芯片，可以实现全天候无人值守发电，在极地、海岛、高山、沙漠等条件恶劣的地方，如自动无人气象站、浮标和灯塔、地震观察站、飞机导航信标、微波通信中继站等都可以使用免维护、长寿命的微小温差发电芯片。在医学上，长寿命微小温差发电芯片可广泛应用于各种植入式传感器，其体积虽小，却可以免维护免更换，免除了更换电池给患者造成的痛苦。在日常生活中，微小温差发电芯片也有望应用于手机制造领域，可以充分利用手机运行产生的废热，提高手机续航能力。这些被长期忽略的微小温差均可以通过微小温差发电芯片实现充分的能源利用。

科学是我们认知世界和探索自然规律的重要工具。科学方法的运用使我们能够以客观、系统的方式观察和理解世界。通过科学研究，我们可以揭示自然现象背后的规律性，并提出解释和预测。基于科学认知构筑的社会和科学体系能够为人类创造更加和谐、美好的未来。

人类是自然界的一部分，我们与自然相互依存、相互影响。保持人类与自然的和谐共处是构建可持续未来的关键。我们面临着众多挑战，如气候变化、生物多样性丧失和资源枯竭等。通过科学认知和探索，我们能够更好地理解生态系统的复杂性，采取可持续的方式利用自然资源，并保护生态环境，实现人与自然的共同繁荣。

2024年8月7日，R &D World 官网公布了胡志宇教授荣获“R&D 100”可持续创新者奖。如是评价胡志宇教授：“他是可持续能源领域的杰出创新者，他率先开发了基于微机电系统（MEMS）的热电芯片，实现了高效发电。他的研究重点是微型热电器件（micro-TED），这种器件能够利用低至0.001K 的微小温差发电。这一突破对于高效温度传感和通过辐射制冷发电具有重要意义，为可持续能源利用开辟了新的路径。”

基于科学认知构建的社会体系追求和谐、可持续的发展，这需要全球合作，政府、企业和个人的共同努力，以科学为指导，制定和执行可持续发展的政策和行动。通过科学技术的创新和应用，我们能够寻找更加绿色、清洁的能源替代品，建立低碳、环保的生产方式，促进经济繁荣与社会公平并存。

我希望通过探究人类了解温度的历史过程，给读者展现每一个科学发现与定律之后激动人心的故事，也从侧面反映了人类发展的历史，让我们更加有信心地去开创未来，继续推动社会的进步。

本文节选自《温度简史》（胡志宇著. 北京: 科学出版社, 2026. 9）一书“前言”，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-083519-2

本书适用于大中学生、研究生、科研人员、工程师、学者和对科学史有兴趣的读者阅读。

（本文编辑：刘四旦）

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