(复旦大学物理学系应用表面物理国家重点实验室)
本文选自《物理》2020年第8期
关键词理论热学，变换热学，热传导，热对流，热辐射，热超构材料，特征长度
01
有用的“理论物理”
然而，何为“理论热学”[1]？
02
有用的“理论热学”
首先，请见表1。可以这么说，经典“热力学(thermodynamics)”的主要内容是人类对自然系统宏观热现象的被动描述，其以热力学四大定律为理论框架，而“理论热学”的主要内容却是人类对人工系统宏观热现象的主动控制，其以变换热学(transformationthermotics)及其扩展理论为理论框架。此处，变换热学是指通过两种不同空间之间的坐标变换，从而实现的一种把空间几何结构参数精确耦合进热导率等热学物理量的理论方法。该方法使得通过人工设计几何结构对热输运进行精确的新奇调控成为可能，它是变换光学理论在热学领域的延伸。
表1“热力学”与“理论热学”之比较1)
1)被动描述：人类只能认识它(即描述自然规律的热力学四大定律)，但不能改变它，故名之“被动描述”；主动控制：其是指根据人类想要的任意目标结果，建立或发展合适的理论，以设计特定的人工系统，从而获得想要的任意目标结果
可见，变换热学及其扩展理论可以用于设计具有特定几何结构的热超构材料(thermalmetamaterial)，从而用于主动操控宏观或微观热流，实现各种工程技术应用所需的新奇性质或功能。
至此，可能有读者会问：这里提及的热超构材料又是什么呢？
答案很简单：它们是一类人工结构材料，其特定的几何结构(而非组成材料的物理性质)，能够使其具有自然材料或化合物所不具有的新奇热学性质或功能。
03
理论热学研究对象：热超构材料
说到这里，可能有读者会有新的疑问：众所周知，超构材料(metamaterial)起源于电磁波或光波领域，其是有明确定义的，就是指那些人工设计出来的结构材料，它们的结构基元比入射波长小(亚波长)，或者小得多(深亚波长)。这里的入射波长对应于超构材料的特征长度，你提到的“热超构材料”有特征长度吗？如果没有，似乎不能把它归入“超构材料”这个大家庭中来。
对，很多电磁或光学领域的同行都关心过这个问题。其实，热超构材料也有类似的特征长度。对此，下面谈谈我的个人看法，并不成熟，权作抛砖引玉，与同行探讨。
04
理论热学之名
至此，善意的读者可能会提醒我：“你命名的‘理论热学’，为什么不用其他更具有吸引力的名字呢？”事实上，我这样命名的一个很重要的原因是，作为复旦大学“理论物理”国家重点学科的一名教师，我希望套用“理论力学”的格式命名的“理论热学”，能够尽可能消除我与国内外同行交流时的隔阂，其可从字面上肤浅地视为是“使用解析理论的方法研究热的学问”的浓缩版。此处暂不去追求更深刻的内涵。换言之，现在的“理论热学”这个名字并不具有排他性，仅仅是为了交流的便利而已，倘若有读者喜欢用其他名字，我看也完全可以——只要便于交流、便于发展。但是，无论如何，一个正式的名字还是需要有的，因为《论语·子路》中有教诲：“名不正，则言不顺；言不顺，则事不成”。
05
总结与展望
本文介绍了“理论热学”，我个人认为，这可能是一个值得大家都知道的新兴的研究方向[1]。
参考文献
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