升温容易降温难，这大约是人类最司空见惯，却又最难解释的自然现象了。

因为现代热学从一开始就定了一个基调，即温度就跟时间、空间一样，是一个平直的变量，不同温度没有任何自然选择的差异。那么从高温到低温，和从低温到高温，理应是相互对称，满足细致平衡的。

然而实际上呢？远古人类就学会了用火来加热食物，而发明冰箱来冷冻食物却是近代文明才有。我们似乎有无数种产生热量的方法，但降温方法却永远只有一种：相变。

要回答为什么，我们不妨先来分析一下日常温度变化。显然，空气和水是对每日温度变化最敏感的物质，白天太阳升起时，辐照进入地球大气层，使得空气分子运动更加剧烈无规，也就是气温开始升高。

问题来了，太阳辐射从直觉上看，理应是一束束有序的光线，这个光打在空气分子上，是如何令其力学运动变得无规则？传统热力学似乎解释不了这个问题。

我们现在知道，太阳光作为非相干光源，它本身就是一个经典的热化系统。这个系统中光子的频率分布足够宽，当它被空气分子吸收时，会形成振动、转动等不同的激发态运动模式。分子多了之后，运动模式也足够多，所以一定可以满足各态历经假说。

从这个角度去分析，即使微观的空气分子是经典可积系统，它与非相干光组合起来的混合系统也是不可积的。光子会像推倒多米诺骨牌一样让分子迅速热化，这个过程像雪崩一样自然发生，所以温度得以迅速升高。

这个图像当然也适用于水，以及地球上的其它物质。不仅如此，无论是烧火，还是用电阻丝，其它加热过程无论释放的是化学能、还是电磁能，其本质均可以用玻色型的热辐射场来理解，与非相干光源有共同的统计规律。

下面再来看降温的情况。到了夜晚，太阳下山以后，光照消失，空气开始缓慢地冷却。为什么不是迅速冷却呢？如果仅从吸热和放热角度看，这二者确实应该有相同速率。

但如果是从热化的角度分析，没有光之后就只剩下空气分子自己，它们重新回到自身更高的对称性。此时，它们要想冷却，唯一的办法是发生对称性破缺，从而向宇宙空间释放自己的自由能，逐渐降低自己的温度，这也就是一开始讲的相变。

释放自由能不像升温那么简单，系统需要有一个自组织过程去不断尝试，直到在高维空间中找到更小自由能的那个点并跳进去。这就像在泥水里随便跳跳衣服就脏了，要洗干净却要反复地搓打。

所以，人体要降温最简单就是扇扇子，让水相变成水蒸汽带走热量。冰箱降温靠制冷剂的相变，地球降温也是靠海洋与大气中的水循环，一场秋雨一场凉嘛。这类水汽一级相变是唯一能让热化趋势逆向变化的自然现象，而相变的发生则依赖于对称性的自发破缺。

由此推而广之，宇宙的降温是对称性破缺导致微观粒子的出现，地球的降温是对称性破缺导致固态星球的形成。相变几乎是宇宙中令温度降低的唯一工具。

现代量子涨落理论已经证明了，宇宙热化的终态一定是温度无穷大的微正则分布。所以如果没有相变，我们生活的世界将以不可思议的速度迅速变热，直到归于寂灭。

所幸我们生活在一个由水循环和碳循环保护的地球，这才让我们有了一个相对恒温的舒适环境，它很可能是宇宙中绝无仅有的。

文章摘录自知乎，作者：洗芝溪