什么是热寂说?热寂说是对还是错?

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  • “热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论,这一推论是否正确,引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论.由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题,因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界,成了近代...
  • 本人未见到任何有说服力的批判,同样也未见到最终的证明.热寂说是个既不能证明又不能证伪的命题,至少现在是这样.下面仅讨论目前证伪的不可能性.
    热寂说是将热力学第二定律推广到整个宇宙得出的推论.由于热力学第二定律已被无数事实证明适用于人类已知的宇宙(宏观的),至少目前尚未发现反例.因此要彻底证伪热寂说至少须做到下列之一:
    1.证明宇宙是无限的,热力学第二定律对无限宇宙不适用.
    2.证明宇宙是有限的,但热力学第二定律不适用于人类未知的宇宙.
    3.证明无论宇宙是否有限,热力学第二定律不是终极真理,未来一定会被推翻.
    4.证明万有引力在宇观系统中占据主导地位(相对于热运动).宇宙的演化是朝向有序化,或至少是在某个宏观的时段内宇宙的演化是朝向有序化.
    除了以上四点是否还存在其它彻底证伪热寂说的方法,我不能断定,这是就我有限的知识范围内而言的.欢迎网友补充.
    下面对这四种方法目前不可能性的进一步阐述.
    1.持宇宙是无限的,热力学第二定律对无限宇宙不适用观点的人,能证明宇宙的无限性吗?宇宙的无限性只是根据人们经验的一种推断,根据人们发现的宏观世界的范围越来越大所作出的一种“合理”推断.持该观点的人自己可以根据经验对经验外的东西作出推断,为什么禁止别人根据越来越多的事实证明第二定律的正确性,而作出类似的推断(第二定律无限地正确)呢?
    2.宇宙是有限的,但热力学第二定律不适用于人类未知的宇宙.同样的理由目前尚无法证明宇宙是有限的,也不能证明第二定律不适用于人类未知的宇宙.试图证明的人必然遇到的问题就是对于人尚未发现的宇宙,如何证明自己的推断是正确的,而热寂说的推断是错误的.
    3.持无论宇宙是否有限,热力学第二定律不是终极真理,未来一定会被推翻的观点的人,同样无法克服的逻辑矛盾就是终极真理不存在如何证明.终极真理不存在这也是人类经验的总结并根据这个总结作出的推断.
    4.万有引力在宇观系统中占据主导地位(相对于热运动).宇宙的演化是朝向有序化,或至少是在某个宏观的时段内万有引力占据主导地位,宇宙朝向有序化演化.这种演化尽管是可能的,但同样未得到大量证据证明,更何况将来如何现在更说不清,至少持这种观点的人手里的证据远远没有第二定律的证据多.
    5.至于负熵基本上不值一驳,负熵只能在某个局域出现,负熵不可能由系统产生,只能从外界流入,这个过程本身仍是不可逆过程,有负熵流入的系统和环境的总熵依然增加.并且与没有负熵系统的情形相比总熵增加更快.如果热寂说成立的话,只能加速热寂的到来.
    如果要证明系统与环境的总熵必然增加这一论断不正确,就是要证明系统与环境的总和不是一个孤立系统.要么是证明这个系统之外的确存在一定不可能被环境所包括的东西,要么就要证明宇宙是无限的,无论环境取多大宇宙都会比它更大.如前所述这两点目前都无法证明.
    最后再强调一下,以上仅是对证伪不可能性的探讨,并不意味着一定支持热寂说,这个假说是否成立只能靠时间来检验(假定那时人类尚未灭亡的话).
    另外有个有趣的现象是:热力学第二定律尤其是热寂说一直以来饱受争议的同时,热力学第一定律却很少被争议.其实能量守恒的前提也是宇宙是孤立系统(我们说能量的总量不变的时候,这个“总”究竟代表什么?),说它不是孤立系统的人同样要回答宇宙之外还存在什么可以与我们所考虑的宇宙能量交换的东西.我的粗浅理解是,比起第一定律,第二定律太严酷了,它的“真理"性打碎了人们种种梦想,非但如此如果终将热寂,人在宇宙中到底是何地位?这么一条“灭绝人性”的定律不推翻它,心不甘啊.
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  • “热寂说”“终结”了吗
    长期以来,对“热寂说”疑难的回答,无论从科学上看还是从哲学上看似乎都未能切中要害,缺乏说服力,因而一再爆发争论.然而20世纪六、七十年代以后,自从“大爆炸”宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认以来,对“热寂说”疑难的讨论发生了根本性的转向,这一时期成了“热寂说”争论史上一个划时代的转折点.
    在大量涌现的介绍大爆炸理论的文献中,特别令人瞩目的是,1994年10月,《科学美国人》杂志以“宇宙中的生命”为主题隆重推出了一期专刊,其中登载了四位著名科学家的综述,全面介绍了当代天体物理学界关于宇宙起源与演化问题的研究成果--大爆炸宇宙模型.该理论认为,宇宙大约是在100~200亿年以前,从高温高密的物质与能量的“大爆炸”而形成.随着宇宙的不断膨胀,其中的温度不断降低,物质密度也不断减小,逐渐衍生成众多的星系、星体、行星等,直至出现生命.宇宙大爆炸理论是20世纪科学研究的重大成就,是基于几十年的创新实验与理论研究的结果.因而获得了科学界的公认,并成为现代宇宙学的标准模型.
    大爆炸宇宙理论得到了三个强有力的直接证据的支持,即哈勃红移、氦元素丰度和3K微波背景辐射.
    1929年,美国天文学家爱德文·哈勃(Edwin Powell Hubble)在研究了前人测量的星系距离资料后发现,远星系光谱线的颜色要比近星系的稍红一些.哈勃仔细测量了这种红化,发现它呈系统性变化.而且,星系愈远,光谱线红移愈大.在进一步测定了许多星系光谱中特征谱线的位置后,哈勃证实了这个效应,并指出红移现象的产生是由于星系在退行而使光波变长的结果.由此,他总结出了著名的哈勃定律:星系退行的速度与距离成正比.从哈勃定律人们会很自然地得出宇宙在膨胀的推论.这个重大发现奠定了现代宇宙学——大爆炸理论的的基础.
    支持大爆炸宇宙论的第二个证据是宇宙中氦元素丰度的预言和测定.大爆炸发生一秒钟以后,宇宙是由极高温的基本粒子组成的“羹汤”,这时整个宇宙处于均匀的热平衡态.随着宇宙的膨胀和降温,其中的一些粒子逐次与其余部分粒子脱耦.此时产生的核反应使中子和质子聚合在一起,形成氦核,余下的核子(没有聚合的质子)自然就形成了氢核.精确的理论计算表明,当时应有23.6%的物质质量聚合成了氦核.英国皇家格林尼治天文台对众多星系中原始星云的发射光谱进行观测的结果表明,宇宙中氦的实际丰度为23.5%.这一结果与大爆炸的理论预言极为相符.
    支持大爆炸理论的第三个证据是3K微波背景辐射的发现.大爆炸理论预言,现在的宇宙中应该存在着一种来自宇宙早期的均匀的、各向同性的微波背景辐射,它是宇宙早期的遗迹,频谱应该符合普朗克黑体辐射公式,温度约为3K.这一预言在1965年被射电文学家彭齐亚斯(A.Penzias)和威尔逊(R.Wilson)在宇宙观测中证实,此后亦为众多科学家进一步证实.这一结果表明,宇宙早期曾一度处于平衡态,处处都有相同的温度,而且物质分布也是相当均匀的.大爆炸之后,宇宙才逐渐偏离热平衡态.
    早在大爆炸宇宙理论为科学界公认之前,一些学者即正确地指明了解决宇宙"热寂"疑难的方向,关键在于应从宇宙中是否存在热平衡态这一根本性问题着手.([17],p.77~78)现在,大爆炸理论直接证明了宇宙在膨胀,而宇宙在膨胀则是热力学和宇宙学相容的关键,那么在一个膨胀的宇宙中是否存在着热平衡态呢?
    假定有两类物质,一类是辐射,另一类是粒子,辐射温度Tr与粒子温度Tm不一样.那么,按照经典热力学,经过一段时间以后,Tr与Tm必定相同.这是在静态空间中做出的结论.然而,假如上述空间是膨胀的,结论就完全不同了.由于在膨胀过程中,不同物质的温度降低的程度不一样,辐射温度降低较慢,粒子温度降低较快,就会造成Tr大于Tm而产生温差.这与经典热力学的结论正好相反.虽然这个温差会由于辐射与粒子之间的碰撞而消失,以至达到热平衡,但是由于达到平衡所需的时间比宇宙膨胀所需的时间要长,因而辐射和粒子之间就永远不可能达到热平衡.此时系统的熵尽管不断增加(这与热力学第二定律相符),但它离平衡态却越来越远.而宇宙中发生的正是这种变化.
    另一方面,宇宙膨胀的原因是由于引力的作用.有引力作用的热力学与无引力作用的热力学得出的结论完全不同.在不考虑引力的经典热力学中,加热则体系升温,冷却则体系降温,热容量是正值.而在一个自引力体系中情况刚好相反,加热则体系变冷,放热则体系升温,热容量是负值.而负热容物体的存在对于热力学来说具有根本性的影响.在一个体系中,如果同时存在着正热容物体和负热容物体,那么这个体系就具有极大的不稳定性.稍有扰动,平衡就会彻底遭到破坏而产生温差.只要有自引力体系存在,原则上就不存在稳定的热平衡,而宇宙间的天体或天体系统大多数正是这种自引力系统.尽管自引力系统中熵是增加的,但由于没有热平衡,因而熵的增加是无止境的,永远都没有极大值.[21]因此,“热平衡的存在对整个热力学是至关重要的,热平衡是热力学的出发点.而对于引力起决定作用的体系,实际上不存在热力学意义上的热平衡态,而是不稳定的状态”.([15],p.92)这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的,也是开尔文和克劳修斯等人没有料想到的.
    于是,人类终于从百年梦魇中醒来,爆发出热情的欢呼,“宇宙不但不会死,反而会从早期的热寂状态(热平衡态)下生机勃勃地复苏”,[22]“热寂说的一页,已被翻过去了”!([15],p.92)
    然而,人类的欢呼似乎来得早了一点.尽管热力学意义上的宇宙“热寂”状态永远不会到来,但宇宙的命运却不会因此而变得更加令人乐观.宇宙的结局完全取决于它的初始条件,宇宙的创生与终结始终紧密相连.大爆炸理论发现了宇宙起源的真相,同时也预言了它遥远的未来.
    在大爆炸理论中有一个极其重要的参量Ω=ρ[,0]/ρ[,c],其中ρ[,c]是与哈勃常数密切相关的一种宇宙临界密度,ρ[,0]是现在的宇宙密度.若ρ[,0]<ρ[,c],即Ω<1,表明宇宙是膨胀的,并且一直膨胀下去;若ρ[,0]>ρ[,c],即Ω>1,表示宇宙起初膨胀,到达一定时刻后,就将转化为收缩.若ρ[,0]=ρ[,c],则宇宙处于两者之间的临界状态.[23]由于大多数人承认的观测结果是Ω<1,因此宇宙一直永远膨胀下去成为最可能的一种状态.假使如此,未来所有恒星上的热核反应都将逐渐停止,留下的将是各种各样的宇宙“熔渣”--黑矮星、中子星和黑洞,而宇宙的背景辐射温度将不断下降,以至于无限地趋近于绝对零度,[24]最终达到另一种意义上的“冷寂”.宇宙另一种可能的状态是,当膨胀达到最高点,背景辐射的温度降到最低,此时宇宙开始收缩,温度又重新上升.当宇宙不断收缩至愈来愈接近它的最后阶段时,环境条件同大爆炸后不久起支配作用的那些条件越来越相似,宇宙又重新回到处于“热寂”状态的基本粒子“羹汤”状态.这实际上是一个反演过程.在宇宙暴缩的最后时刻,引力成为占绝对优势的作用,所有的物质都将因挤压而不复存在,包括时空本身在内的一切有形的东西统统将被消灭,只剩下一个时空奇点.[25]无论宇宙最后出现哪一种状态,其结果对人类来说都将是灭顶之灾.
    这就是大爆炸理论为人类预言的宇宙未来和世界末日.由于这一理论也不合人们的期望,因而当它提出之日起同样也遭到了来自各方面的反对,并认为它是一个“倒了头”的宇宙“热寂说”.[26]然而,自然规律毕竟不以人的意志为转移,人类必须正确对待,最好的心态是,“我们决不能忽视物之有生亦必有死的事实,死亡或许正是为创生不得不付出的代价”.([25],前言,p.3)
    当然,还存在着一些其他并非毫无科学根据的宇宙模型,也许会带给人类新的光明和希望.人类不应该气馁.“我们的后代也许还有数十亿年甚至数万亿年的时间来对付这场最后的大屠杀.在这段时间里,生命能够扩展到整个宇宙……并对它加以控制,因此他们可以调整自己的位置,支配一切可能的资源来对抗这场大危机”.([25],p.93~94)
  • 宇宙膨胀不是热膨胀,宇宙膨胀时温度降低,主要是由于单位体积内粒子数量减少导致平均能量降低造成的.
    热寂说是指宇宙熵值在朝最大可能值靠近,也就是热量从高温区向低温区流动直至平衡.这可以由粒子分布更均匀得到,并不一定是分子运动趋于平静得到.
  • 1867年克劳修斯把热力学第二定律推广到整个宇宙,提出了所谓“热寂说”.认为“宇宙的能永远守恒,宇宙的熵永远增大”,“宇宙的熵趋于极大,宇宙越是接近这个熵的极大的极限状态,进一步变化的能力就越小,如果最后完全达到了这个状态,那就任何进一步的变化都不会发生了,这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态”.
    “热寂说”的错误主要在于把科学规律无根据地外推,以致把宇宙看成为一个孤立系统.恩格斯在《自然辩证法》中指出:“放射到太空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,它能够重新集结和运动起来.因此,阻碍已死的太阳重新转化为炽热的星云的主要困难便消失了”
  • 《什么是热寂说?热寂说是对还是错?》全文共5261字

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