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孤立系統熵增原理的具體應用是什麽?

在1867中,克勞修斯曾表達過“宇宙的能量永遠守恒,宇宙的熵永遠增加”的觀點,認為“宇宙的熵處於最大值,進壹步變化的能力就會變小。如果最終達到極限狀態,就不會發生進壹步的變化,宇宙將進入壹種死亡的永恒狀態。”克勞修斯的表述是“熱寂論”的最初起源。

現在的宇宙學和宇宙發展的客觀事實都表明“熱寂”理論是錯誤的,這似乎說明熱力學第二定律與宇宙學是不相容的。

熱力學和宇宙學兼容的關鍵之壹是宇宙在膨脹。

考慮壹個簡單的例子。在某個空間裏有兩種物質,輻射和粒子。(高壹物理教材介紹中有壹句話:BIGBANG開始時,裏面只有極高溫的熱輻射和若隱若現的高能粒子...)如果兩種物質的溫度不壹樣,也就是輻射溫度Tr≠粒子溫度Tm,顯然,根據熱力學,壹段時間後就是Tr=Tm。但是,如果上述空間繼續擴大,結論就完全不同了。膨脹會降低各種物質的溫度。壹般來說,不同物質的溫度隨著膨脹以不同的速度下降。輻射溫度隨膨脹緩慢下降,而粒子下降較快。也就是說,隨著宇宙的膨脹,兩種溫度相同的物質會變得不同,也就是tr > TM,從而產生溫差。有人會說這種溫差無法維持,它們會通過輻射和粒子的碰撞而消失,最終達到熱平衡。

熱力學和宇宙學兼容的第二個關鍵是引力理論。

壹盒氣體包含許多分子。如果氣體分子分布不均勻,按照熱力學第二定律演化的結果是均勻的,但同樣壹箱氣體,如果氣體分子之間的引力不可忽略並起主導作用,結果就會完全不同。假設氣體分子的分布起初是均勻的,在沒有重力的情況下處於平衡狀態,但在重力的主導作用下,均勻分布是不穩定的。因為在壹個局部區域,壹個局部區域的密度會因為壹個分子的混沌運動而變得略大,局部的引力變強,會吸收更多的物質,形成更大的密度,這就是不均勻破壞。

引力在宇宙中占主導地位,所以即使宇宙壹開始是均勻無結構的,也會產生非均勻有結構的狀態。各種規模的天體通過這種異質過程聚集在壹起。異質宇宙就是這樣從早期的同質宇宙進化到現在的。

為什麽宇宙沒有像熱寂預言的那樣由復雜變簡單,而是由簡單變復雜?因為重力。

為什麽宇宙沒有像熱寂預言的那樣從有序變成無序,而是從無序(混沌)變成有序(結構)?因為重力。

為什麽宇宙沒有像熱死預言的那樣從非熱平衡變成熱平衡,而是熱平衡產生非熱平衡?也是因為引力。

因為萬有引力的存在,熱寂論成為了歷史的壹頁。為什麽引力有“回天之術”來保證宇宙的演化?因為至今沒有完整的引力理論,所有這些問題還有待解決。

“熱寂”理論壹經提出,便在科學界引起軒然大波。

1.最先質疑熱寂理論的是J .麥克斯韋。1871年,他設計了壹個想象中的存在——“麥克斯韋妖”在“熱力學理論”的最後壹章,熱力學第二定律的局限性。麥克斯韋妖極其聰明。它可以跟蹤每個分子的行蹤,並區分它們各自的速度。設計方案如下:“我們知道,在壹個充滿溫度均勻的空氣的容器中,分子的速度從來都不是均勻的,但任意選取的大量分子的平均速度幾乎是完全均勻的。現在我們假設這樣壹個容器分為A和B兩部分,邊界上有壹個小洞。設想可以看到單個分子,打開或關閉小孔使只有快分子從A跑到B,慢分子從B跑到A,這樣,在不消耗功的情況下,B的溫度升高,A的溫度降低,這與熱力學第二定律相矛盾。/ρ是宇宙的電流密度。如果ρ < ρ [,c],即ω < 1,說明宇宙在膨脹,而且壹直在膨脹;如果ρ > ρ [,c],即ω > 1,說明宇宙壹開始是膨脹的,到了某個時刻就會轉化為收縮。如果ρ=ρ[,c],宇宙處於兩者之間的臨界狀態。【23】因為大多數人承認觀測結果是ω < 1,所以宇宙壹直在永遠膨脹成為最可能的狀態。如果是這樣,未來所有恒星上的熱核反應都會逐漸停止,留下各種宇宙“渣”——黑矮星、中子星、黑洞,宇宙的背景輻射溫度會繼續下降,從而無限趨近絕對零度,[24]最終達到另壹種意義上的“冷寂”。宇宙的另壹種可能狀態是,當膨脹達到最高點時,背景輻射的溫度降到最低,此時宇宙開始收縮,溫度再次上升。當宇宙收縮到最後階段時,環境條件越來越類似於大爆炸後不久起主導作用的環境條件,宇宙在“熱寂靜”狀態下回到基本粒子的“湯湯”狀態。這其實是壹個倒置的過程。在宇宙坍縮的最後壹刻,引力成為主導作用,所有物質都會因擠壓而不復存在,所有有形的東西,包括時間和空間本身,都會被消滅,只剩下壹個時空奇點。[25]無論宇宙最終以什麽狀態出現,其結果都將是人類的災難。

這就是宇宙大爆炸理論為人類預言的宇宙未來和世界末日。由於這壹理論不符合人們的預期,因此自提出以來也遭到了來自各方面的反對,被認為是壹種“顛倒”的宇宙“熱寂理論”。[26]但是,自然規律畢竟不以人的意誌為轉移,人類必須正確對待。最好的心態是,“我們絕不能忽視這樣壹個事實:事物活著就會死去,而死亡可能是我們為創造所要付出的代價。”([25],前言,第3頁)

當然,還有壹些其他的宇宙模型也並非沒有科學依據,或許能給人類帶來新的光明和希望。人類不應該氣餒。“我們的後代可能有幾十億甚至幾萬億年的時間來處理這最後壹次大屠殺。在此期間,生命可以擴散到整個宇宙...並控制它,這樣他們就可以調整自己的位置,控制壹切可能的資源來對抗這場巨大的危機。”([25],第93~94頁)

無論如何,人類絕不會甘心坐以待斃,科學也會壹如既往地走自己的路,總有壹天會給人類壹個明確的答案。