從“熱二”定律到宇宙學

■ 李墨林

瓦特在1782年發(fā)明了蒸汽機以后，為了計算發(fā)動機的最大功率，他認識到必須了解這臺機器幕后的全部理論，這個理論就是熱力學。只不過當時他無論如何也不可能想到的是，就這么一個普普通通的熱機理論，在它默默無聞地度過了百年歲月之后，竟給后來的一些科學家罩上了花環(huán)，推崇到了至高無上的地位。

勞修斯在1885年引入了熵的概念，并把熱力的前兩條定律寫成了宇宙學的形式。于是原來只適用于熱機的理論，竟一下子擴充為普遍適用于一切的宇宙學原理。他的第一條定律說，宇宙的總能量是守衡的，第二條定律說，宇宙的總熵是在無情地朝著它的極大值增長。這就是為后來一些天文物理學家所推崇，又為另一些科學家們所腹誹而又無奈的熵增原則的來源。

客觀地說，熱力學第二定律所反映的熵增原則，的確符合人們對自然界的認識，因此曾驗證過愛因斯坦相對論的英國科學家愛丁頓，又把這個理論推向了認識論的極致。他說：“我認為熵增原則即熱力學第二定律，是自然界所有定律中至高無上的，如果有人指出你所鐘愛的宇宙理論與麥克斯韋方程不符，那么麥克斯韋方程就算倒霉；如果發(fā)現(xiàn)它與觀測相矛盾，那一定是觀測出了問題。但是如果發(fā)現(xiàn)你的理論違背了熱力學第二定律，我就敢說你沒有指望了，你的理論只有丟盡臉、垮臺?！?/p>

愛丁頓之所以敢把話說到這個份上，是因為他認識到在自然界中，的確不會發(fā)生與“熱二”定律相違背的現(xiàn)象：冷水不會自動加熱，打碎了的瓷器不會自動重組，臺球不會自己從球袋里跳出來，生命不可能死而復生等等。在現(xiàn)實生活中，這類單方向趨向混沌的例子俯拾皆是，因此極具權威的愛丁頓的話自然成了無可爭辯的絕對真理。但這還不算完，德國大科學家霍姆霍斯在深入研究了“熱二”之后，在此基礎上又前進了一步，他不容置疑地說：“整個宇宙的演化就是逐漸地退化，最后終止于熱力學平衡?！?/p>

最后終止于熱力學平衡？老天！這不明明向世人頒布宇宙必將毀滅，人類必將滅亡的宣言嗎？熱力緣何如此冷酷，竟敢向它生存環(huán)境的本身發(fā)起挑戰(zhàn)，難道它就不怕一起毀滅嗎？

其實宇宙到底能否長存 與“熱二”定律根本無關?！盁岫倍勺畲蟮摹白镞^”，不過是企圖充當宇宙消亡的預言者，和不受歡迎的報喪人而已。

現(xiàn)在姑且不論大爆炸與守恒態(tài)宇宙哪個正確，就目前人類所能觀測到的空間來看，其半徑已基本達到了150億光年之遠。在這已知的近300億光年空間的總宇宙中，已初步查明共有各種形式的星系500多億個，其中最小的也有幾千光年，大些的甚至能達到幾萬、幾十萬光年之巨！在以上所有這些龐大的星系家族成員中，絕大多數(shù)恒星的壽命都在幾百萬、幾千萬、幾億甚至幾十億年之間。這就是說我們周圍的星空和我們的眼里的恒星，絕大多數(shù)都經(jīng)歷了生生死死、死死生生不知多少個輪回了。在這種宇宙演化的過程中，盡管它們每次毀滅都毫無例外地遵循著“熱二”定律；在另一方面，所有恒星的誕生又全部都違反著熵增原則，如若不信，請您在夜里仰望星空時，看著那認不清、數(shù)不盡的繁星，其中有幾個不是重復的生命，再造的“新人”？

然而事情并未結束，因為按照熱力學第二定律、熵增原則在“毀滅”宇宙時還附加了一個前提條件，即必須是一個理想的獨立系統(tǒng)。

何為理想的獨立系統(tǒng)？在地球上，一個盛滿了開水的暖瓶應該是既合格且又完善的獨立系統(tǒng)。宇宙中沒有那么大的暖瓶，但除了與外界有物質(zhì)交流的、處于碰撞狀態(tài)的星系之外，其他所有的獨立星系因為對外沒有物質(zhì)交流，對內(nèi)所有天體都受制于同一個引力場，所以它們都應該是理想的獨立系統(tǒng)。但就在宇宙這數(shù)百個獨立系統(tǒng)中，不但每個龐大的星系中每時都有單個或成批的星球趨向于死寂沉沉的熱力學平衡，同時每刻也都有成批的星球在星云中誕生。就像涅槃之后再生的鳳凰一樣，重新在星系的各個角落放射耀眼的光芒。為了揭示恒星誕生的大環(huán)境，展示恒星誕生的全過程，我們不妨先解剖一個星系中的大星云，看星云內(nèi)的星球們是如何違反“熱二”定律，以絕對反熵的形式自行在煙霧迷茫的星云中產(chǎn)生的。

星云的種類較多，概括起來主要有彌漫星云，有行星狀星云，有超新星遺留下來的灰燼，也有黑洞蒸發(fā)后殘留下來的物質(zhì)團，這些都屬星云范疇。就其發(fā)光的性質(zhì)來說，有發(fā)射星云、反射星云和依靠星空背景襯托的暗星云。

各類星云都屬星際物質(zhì)，即星際氣體和星際塵埃。星際氣體中含有氣態(tài)原子、分子、電子和離子等。星際氣體的元素中氫占多數(shù)，其次是氦。星際塵埃包括冰狀物質(zhì)、石墨和硅酸鹽等混雜物。下面就具體描述一下恒星在星云中誕生的詳細過程，看它們到底是怎樣在熱力學平衡的死亡灰燼中，一步步自發(fā)地創(chuàng)生、成長并成功地發(fā)展起來的。

在浩瀚無垠的彌漫星云中，由于物質(zhì)不可能被分配得絕對均勻，有時在某些空間會出現(xiàn)一些密度稍大一些的質(zhì)點，這些具備物理特性的質(zhì)點由于引力也較周圍稍大那么一點兒，附近的物質(zhì)便慢慢往“點”的方向聚攏。隨著時間的推移，物質(zhì)愈集愈多，物質(zhì)團越來越大，到了一定程度以后，由于物質(zhì)不均導致了引力不均，正是這兩個不均讓物質(zhì)團在零空間中產(chǎn)生了旋轉。旋轉扭曲了周圍的時空，使得距離較遠的物質(zhì)以更快的速度和更大的數(shù)量向引力中心下落，于是產(chǎn)生了方向、誕生了時間、提高了溫度，如此周而復始，物質(zhì)團加速旋轉，加速積累，加速膨脹，當物質(zhì)團中心的密度達到一定的值，體積達到了一定的規(guī)模以后，會產(chǎn)生引力塌縮，并在塌縮的過程中迅速升溫升壓，如此之后，物質(zhì)團已經(jīng)是巨大的星球了——當星球中心的溫度和壓力最終達到了臨界點，便會自發(fā)地產(chǎn)生熱核反應：每四個氫原子核結合成一個氦原子核，并在這個過程中釋放出巨大的能量：氫彈爆炸。誰能想到，一個沒有大腦和雙手的宇宙，竟能用最簡單最原始的材料自我造出氫彈來，而且又絕非一顆兩顆，而是成千上萬甚至相當于成百上千萬顆氫彈同時爆發(fā)的量，于是一顆甚至一群全新的恒星，就這樣在宇宙的“濃湯”中誕生了！

正因為如此，克勞修斯、愛丁頓和霍姆霍斯等人根據(jù)熱力學第二定律所升格的宇宙學在這里不能成立。

鑒于上述原因，我認為“熱二”定律則既合理，又有限：它能夠毀滅生命，但不能毀滅人類；它能夠毀滅地球，但無法毀滅宇宙。熵增原則所代表和所制約的，基本屬于地球小范圍的真理。一旦放到宏觀的宇宙效應上，它馬上便失了作用。

在說明宇宙的基本理論中，如果把牛頓力學比作可愛的蘋果，相對論就是照耀蘋果的陽光；如果把量子力學比作構成蘋果的分子，那么熱力學就是吞沒蘋果的黑洞。不過這個黑洞并不一定像人們想象的那樣猙獰可怕，因為這個黑洞無論多么強大，最終還是會被霍金輻射無情地蒸發(fā)，而蒸發(fā)后的物質(zhì)又將還原為到處彌漫的宇宙塵埃，這個過程又還原了克勞修斯的熵增，霍姆霍斯的“熱寂”，在地球上，物質(zhì)到此已基本走到了盡頭。但在宇宙中，同樣的塵埃卻面臨著完全不同的命運：它們只要耐心等待，便有機會再生；一旦反熵的時機來臨就會成為下一代恒星的主人，重新走上光輝燦爛的明星之路。事情到了這里，一切又回到了原點，回到熱力學第一定律，即宇宙總能量守恒的軌道。于是燃燒的生命重新開始，熵退化變成熵進化，牛頓的能量守恒和物質(zhì)不滅原理重新主宰了宇宙，再次成為宇宙永存的終極真理。