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热寂怎么导致宇宙灭亡

2024-04-15 阅读78 评论0 喜欢0

简单来说，热力学第二定律推导出的熵增加原理指的就是，孤立系统的熵永不减少。因此，热寂结论是基于“宇宙是个孤立、封闭系统”这样的宇宙观的。

后世一部分人就是从这个角度来攻击热寂说的——世界是无限的，不是封闭的，因而不能把热力学第二定律推广到全宇宙。

宇宙是不是孤立且封闭的系统呢？这不仅是一个自然科学问题，还是一个哲学问题。、

这里把“宇宙是一个有限且无界的孤立、封闭系统”当真前提来写。

假如宇宙是孤立且封闭的系统的话，热二定律一定适用于宇宙。（请不要随随便便说热力学第二定律这种物理基本定律是错误的）但热寂说还还是得斟酌斟酌。

时间有限，各个观点一个个来列吧。

1.涨落

“涨落说”是由玻耳兹曼（L.E.Boltzman）于1872年提出的。这使得其成为19世纪已知的唯一两个在文献中留下对热寂说抨击的人。他从统计角度来解释这个问题：总会有宇宙的某些局部因为随机的涨落出现熵减小的情况。尽管在整个宇宙来看，熵是增加的，但随机的涨落永远会存在，于是一直都不会迎来完全的热寂。而人类等生命这样高度有序的存在也在“因为随机涨落而出现的熵减小”的区域变得可能。

热寂说维护者对于玻尔兹曼的反驳是，随机涨落的效果要大到可以产生生命这样的高度有序的可能性几乎是不存在。但这样的反驳显然是苍白无力的，“人择原理”就可以回答这个诘难。

用与费恩曼经典的“车牌号码比喻”的类似例子。我今天晚上被蚊子咬了，但是我怎么可能被这只蚊子咬呢？这个世界的蚊子多的不计其数，而我恰好被这只蚊子咬的可能性几乎为零啊（假如有一千亿只蚊子，假如我已经被蚊子咬了，那么我恰好被这只蚊子咬的概率是一千亿分之一）。上述诘难相当于就是在说，一个人被蚊子咬的可能性几乎是不存在的（只有一千亿分之一！）。荒谬之处显而易见。他们忽略了人类已经存在于一个可以产生生命的宇宙这个条件。一个宇宙能因玻尔兹曼所说的涨落而产生生命的可能性的确是非常小，但是在那样的宇宙也根本不会有提出这个问题的生物存在。

2.非平衡定态

后来普里戈金（I．Prigoging）引领著名的布鲁塞尔学派在20世纪开创了“非平衡定态”热力学，而后发展为耗散结构理论。耗散结构是指在远离平衡的条件下，借助于外界的能量流、质量流和信息流而维持的一种空间或时间的有序结构，它随着外界的输入而不断地变化，并能进行自组织，导致体系本身的熵减少。普里戈金所著《从存在到演化》一书第6章“非平衡涨落”部分作此阐述：“在宏观物理学中，涨落一般起着较小的作用，因为当系统充分大时，他们作为可以忽略的小的修正而出现。然而在分支点附近，它们起着实质性的作用，因为在那里是涨落驱动平均值。这正是我们在第4章引进涨落达到有序的观念的意义。”也就是说，宇宙可以在某些区域形成某种较稳定的机制，可以将玻尔兹曼所说的涨落更长期地贮存下来。这一理论大大加强了涨落说的说服力。

玻尔兹曼对热寂说的批判是当时很有影响力的一种，直接指出了热寂说的疏漏。

3.麦克斯韦妖

麦克斯韦妖大概是物理学历史上最著名的妖了。它是由麦克斯韦（J.C.Maxwell）最先提出的，是一只可以减少孤立热力学系统的熵的妖怪。19世纪已知的唯一两个在文献中留下对热寂说抨击的人的另一个就是麦克斯韦了。假设宇宙中存在某种机制能有类似与麦克斯韦妖的能力，那么熵增加原理就是错误的，热寂说也将站不住脚。

但麦克斯韦妖实际上并不能减少一个孤立热力学系统的熵，除非外界提供给它信息。但来自外界信息实际上是含有负熵的，正是这些负熵降低了系统总的熵。现代信息熵理论已经非常成熟，完全解决了这个问题。没有信息麦克斯韦妖就无法工作。麦克斯韦妖对信息熵理论的发展做出了不可忽略的贡献，但它并不能伤热寂说分毫。

4.策尔梅洛诘难

策尔梅洛（E. Zermelo）没有直接攻击热寂说，而是质疑其基础——热力学第二定律。1896年，策尔梅洛引用法国数学家庞加莱（H. Poincare）的始态复现定理——孤立的、有限的保守动力学系统在有限的时间内回复到任意接近初始组态的组态，由此认为宇宙热寂说是错误的，违背了数学定理。据历史而看，庞加莱和普朗克似乎都同意策尔梅洛的观点，毕竟，始态复现定理已经过严密的数学论证。

始态复现定理甚至可以到处一个与热寂说同样让人耿耿于怀的结论：只要经过足够的时间，宇宙会回复到一个与现在一模一样的状态。宇宙的孤立性、有限性在2.1.3中已经说明，不再赘述。

这个定理似乎彻底击溃热寂说了，甚至把结论带向了另一个极端——“从一切都会死寂”到“一切都会重来”。在得出结论前我们不妨先用始态复现定理计算一下庞加莱复现时间。1mol气体大约有个6.02\times 10^23个粒子，若考虑标况下一个小手指头大小的气体系统，其中大约有个10^18个粒子，其庞加莱复现时间高达10^(10^18)秒或年（这两个单位在这个量级下已经没有多大差别），1后面跟

10^18个0。而宇宙的年龄大约为100亿年的数量级，仅约10^18秒。此微小的一个系统尚且需要这么长的时间才能复现，更何况偌大的宇宙。对于宏观系统来说，庞加莱复现时间已经大到没有实际意义。

可见策尔梅洛诘难对热寂说并不具有实际的攻击力。但是，时间的意义会不会延续到10^(10^18)年之后是另一个重要而深刻的问题了。

5.负引力热容

根据位力定理，对于万有引力、库伦力这样的自引力系统，在一个周期内动能的时间平均值等于总能量的负值，即Ek=-E。也就是说，自引力系统得到能量时动能减小，失去能量时动能增大。热学中比热容的定义是物体温度每升高1K所需要的热量。对于这些自引力系统来说需要释放能量来提高温度，即具有负的“热容量”。拥有负热容的系统没有稳定的平衡态存在，也就是说，宇宙这个自引力系统不可能达到平衡态。如赵凯华在《热学》中所言，天体的形成是引力系统的自发过程，它的熵是不断增加的。由于不存在平衡态，熵没有极大值，因此宇宙的熵的增加没有一个上限，不会在某个时刻达到热寂后熵就不变了。

可以说，负引力系统是热寂说最大的要害。玻尔兹曼提出的是一个可能的解释，而负引力系统则是热寂说迈不过的坎。

6.一些无聊的诘难

历史上大多数对热寂说的诘难都是错误且徒劳的。与克劳修斯同时代的人提出的意见往往直接被克劳修斯驳倒；而后世提出的诘难则需由后人回答。

从克劳修斯时代就出现的一种诘难是，上帝创造世界，自然也会将熵吸收。这是无法反驳的诘难，因为我们永远无法证明上帝不存在。不过，持此观点的人也无法证明上帝存在。于是，这就变成了一个无足轻重的诘难。从物理定律的简洁性和和谐性出发，我们暂时还不需要上帝为我们做什么。

后来，恩格斯在《自然辩证法》中写道：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。”恩格斯这段话其实只表明他不认可热寂说，至于热寂说为什么是错的他也不知道，要问其他自然科学家才行。也就是说这段话只是一个空洞的观点而已，并没有什么实际意义。上个世纪，我国和前苏联的一些教科书常引用恩格斯的这段话反驳热寂说其实是不科学的。盲目地将一个人的个人观点不加证明的滥用是不会对科学产生什么实际效果的。

综上：观点1,2,5和前提条件（宇宙是否满足热二定律）都是对热寂说有力的反驳。

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