假如苹果中的粒子都朝一个方向运动，那整个苹果会自发运动吗？

“数百万人看到了苹果掉落，但只有牛顿问为什么。”——伯纳德·巴鲁克

我们每个人都对生活的世界充满热情和好奇，都会遇到某些问题，可能会有一些问题一直没有得到圆满的解答。我们在日常生活中经常看到宏观物体。这些物体的运动状态在我们的脑海中一般是比较直观的，但是微观世界的问题往往有一定程度的遮挡，因为我们看不到它们，所以有时候很难理解。我们今天要说的这个问题，和苹果有关，但是，撞到牛顿头上的不是苹果，而是苹果的一个缩影。问题是：

如果一个苹果中所有随机分子的热运动都向同一个方向运动，苹果会自发地运动吗？它会走多远？在微观层面上，当我们想到宏观物体时，脑海中浮现的画面是怎样的？

染色的苹果细胞(L)和未染色的(R)苹果细胞。

你第一个想到的微小层可能是构成苹果的细胞，只比肉眼所见大几百倍。但这还不是最小的物质组成，我们可以更深入地观察苹果内部的微观结构。

这是因为每个细胞都是由细胞器组成的，每个细胞器都有独特的分子形态赋予它结构和功能，而每个分子本身又是由更小的粒子组成的：原子、电子、原子核，甚至更小的基本粒子如夸克和胶子。

所以说到苹果周围的结构，我们可能会想到最小的物质成分，以及这些粒子是如何随机运动的。

如果上图是苹果内部的粒子运动（不是，后面再说），现在我们测量苹果的温度，比如苹果一直放在室温下，大概298K，然后计算出粒子的质量，比如一个糖分子的质量是342.3amu，然后用分子动力学理论的数学计算出这些分子运动的平均速度。你会得到一个很大的数字：大约147m/s，或529km/h。该速度大约是下图中发射球体速度的三倍。

如果我们能把苹果内部原子运动产生的所有热能，100%有效地转化为苹果自身的动能，苹果就会移动，因为现实中存在摩擦，直到能量耗尽，苹果终于停了下来。

但是这个推理有两个问题，也就是说，有两个实际的原因可以证明苹果永远不会动，苹果分子有序排列不能提供动能。

首先我们有令人讨厌的动量守恒定律。

热运动是一种随机运动，是指如果一个原子或分子在体系中向一个方向运动，则另一个原子或分子以相同的速度向相反的方向运动。当然苹果的个别微观部分可能运动得非常快，但总体来说苹果的净动量为零，就像苹果本身可能由10^27个质子和10^27个电子组成，但总体上没有电荷在工作，这意味着苹果是中性的，因为总电荷是平衡的。同样，我们不能在不以某种方式进行补偿的情况下将随机能量结构转换为一个方向的动能。

也就是说，火箭以一定的动量向一个方向运动，那么它必须在相反的方向具有相等的动量才能平衡。如果一个苹果要向一个方向运动，它必须在另一个方向上有大小相等且相反的动量得到补偿。

其实这也可以相当于生活中的一些例子。我们常说，抬不起来，压不下。简单地说，力的作用是相互的。要改变物体的运动状态，必须有一个静态的外力作用在物体上。

不可能发生的还有第二个原因！

苹果作为固体，没有自由的原子和分子

苹果中的原子实际上并不是自由的，而是束缚在分子结构中，分子结构也束缚在一个大的固体结构中间。上面这张原子相互碰撞的图其实很好的描述了液体，而气体和等离子体的原子更自由，运动也更猛烈。但是固体呢？我们不能应用相同的物理原理，事实上固体中的分子和原子只是在原地振动或旋转，而不是自由、快速的运动。

因为在固体中有大量的能量储存在固体分子的化学键中，但是引起这些原子振动的热能不足以使这些化学键断裂，所以苹果是固体的。

想把固态变成液态甚至气态，需要很大的能量来打断化学键，让原子和分子重新结合，如果你对苹果这样做，肯定会让苹果脱水，因为任何高于373K的温度，苹果内部的水分都会全部蒸发掉，再继续加热，后者就不是苹果了。因此，我们无法让苹果中的原子或分子向一个方向运动，除非苹果被汽化，甚至变成等离子体状态。即使我们让等离子体系统中的粒子朝一个方向运动，由于动量守恒，系统也不会运动。如果像上面说的那样，把这些热量通过某种方式转化为动能，对外对苹果做功，那么苹果肯定会动起来。

如果我们强迫自己承认一个事实，即苹果中没有单独的、自由的水分子、糖分子和其他小分子，而是非常大、巨大的结构（如细胞），那么我们就会发现个别“随机运动”比我们之前想象的要小得多。即使我们假装（这是一个很大的夸张）苹果被分解成不受束缚且可以自由移动的纳克质量颗粒，这些大颗粒的热运动将非常小：速度为100微米数量级每秒。换句话说，因为苹果是固态的，里面的分子被束缚在一起，所以这些热运动根本不可能进行得很快。即使我们设计了一个理想的配置，让苹果中的颗粒可以自由移动，事实上，在一天结束时，你最终得到的只是一个稍微暖和一点的苹果，它不会移动到任何地方。