宇宙熱寂說(shuō)新解

朱元舉

(河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南開(kāi)封 475004)

宇宙熱寂說(shuō)新解

朱元舉

(河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,河南開(kāi)封 475004)

宇宙熱寂說(shuō)新解摒棄了以前教科書持批判觀點(diǎn)的思想.作者運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)關(guān)于宇宙起源和形成的最新研究成果,對(duì)宇宙熱寂說(shuō)進(jìn)行了重新評(píng)價(jià)和解讀.作者還認(rèn)為所謂的“大爆炸”是宇宙輪回的開(kāi)始,和所謂的局域宇宙說(shuō)并不矛盾。

宇宙 熱寂說(shuō) 克勞修斯 140億年 “大爆炸” 局域宇宙說(shuō)

1 宇宙熱寂說(shuō)

宇宙熱寂說(shuō)是一個(gè)古老而又嶄新的話題,說(shuō)它古老是因?yàn)樽运惶岢鰜?lái)之日起就備受爭(zhēng)議,至今已經(jīng)整整地爭(zhēng)論了一個(gè)半世紀(jì);說(shuō)它嶄新,是由于相對(duì)于結(jié)果出現(xiàn)的時(shí)間(數(shù)百億年之后或更長(zhǎng))而言仿佛就發(fā)生在昨天。

宇宙熱寂說(shuō)最早是由德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯(R．J．E．Clausius,1822-1888)提出來(lái)的。1867年,就在Clausius提出熵的概念兩年后,他將熱力學(xué)第一定律和熵增加原理(即熱力學(xué)第二定律)推廣到整個(gè)宇宙,認(rèn)為宇宙的能量永遠(yuǎn)守恒,宇宙的熵永遠(yuǎn)增大,隨著時(shí)間的推移,宇宙的熵將越來(lái)越接近一個(gè)極限狀態(tài),如果最后接近或完全達(dá)到了這個(gè)狀態(tài),那就任何進(jìn)一步的變化都不會(huì)發(fā)生了,這時(shí)宇宙就會(huì)進(jìn)入一個(gè)熱動(dòng)平衡的死寂狀態(tài),這就是著名的宇宙熱寂說(shuō)?！盁峒耪f(shuō)”認(rèn)為宇宙中的一切運(yùn)動(dòng)形態(tài)都將轉(zhuǎn)化為熱,而熱又是“低級(jí)的能量”,只能從高溫流向低溫而消散,因此可以做功的能量越來(lái)越少,最后達(dá)到溫度相等的熱死狀態(tài)。

熱寂說(shuō)初看起來(lái)有些危言聳聽(tīng),這主要是由于當(dāng)時(shí)的具體條件決定的。長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)太陽(yáng)系之外的宇宙世界了解甚少,甚至連地球的起源和年齡也還沒(méi)有搞清楚。這樣一來(lái),熱寂說(shuō)一出,好像馬上就要到世界末日一樣,所以不斷地遭到人們的非議和批判。從辨證的觀點(diǎn)看,宇宙有生便有死,熱寂說(shuō)或許正反應(yīng)了宇宙終究要死亡的客觀規(guī)律。

2 宇宙起源

關(guān)于宇宙起源的問(wèn)題是個(gè)至今仍然爭(zhēng)論不休的話題,如果承認(rèn)宇宙有末日,就要承認(rèn)它的開(kāi)始,由此又會(huì)引出一個(gè)荒謬的論點(diǎn),即“造物主”(即“原始推動(dòng)力”或“上帝”)的存在。隨著自然科學(xué)和現(xiàn)代天文學(xué)的縱深發(fā)展,我們有理由相信,在不遠(yuǎn)的將來(lái)人們終于會(huì)揭開(kāi)宇宙起源的神秘面紗。同宇宙起源說(shuō)一樣,宇宙熱寂說(shuō)也是一個(gè)至今仍然爭(zhēng)論不休的話題,或許再爭(zhēng)論數(shù)百年也不會(huì)有任何肯定或否定的結(jié)論。原因很簡(jiǎn)單,因?yàn)橛钪婢烤故怯邢捱€是無(wú)限的呢——至今仍然是個(gè)謎——或許是個(gè)無(wú)解的謎,如果宇宙是無(wú)限的話,那么在有限空間得到的定律能夠適用于無(wú)限空間嗎？如果宇宙是有限的話,宇宙必然會(huì)有邊界,而且邊界之外必然會(huì)有別的東西,那么宇宙還是孤立系統(tǒng)嗎？不過(guò)現(xiàn)代科學(xué)理論越來(lái)越證明宇宙是有限的,它的邊界大約在140億光年之外?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)還越來(lái)越傾向于宇宙起源于大約140億年之前的一次“大爆炸”(文中所說(shuō)的“大爆炸”和通常所指的大爆炸概念有所不同,是指宇宙輪回的開(kāi)始。這是對(duì)宇宙起源說(shuō)的重新解讀,認(rèn)為宇宙膨脹到一定程度后,又靠萬(wàn)有引力的作用重新聚集,從而又開(kāi)始新一輪的輪回。需要指出的是分散的一部分物質(zhì),也有可能被其他局域宇宙中的物質(zhì)俘獲重新聚集,開(kāi)始新一輪的輪回。以上這些假說(shuō),目前還沒(méi)有定論,現(xiàn)代科學(xué)理論還無(wú)法證明:萬(wàn)有引力是否能夠?qū)⒎稚⒌奈镔|(zhì)重新拉回到原來(lái)的位置。),“大爆炸”之前的宇宙是一個(gè)物質(zhì)和能量高度集中的極點(diǎn),“大爆炸”之后宇宙迅速膨脹,溫度迅速降低,大約經(jīng)歷140億年形成現(xiàn)在的宇宙[1]?？梢?jiàn),從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)宇宙的重新描述看,宇宙熱寂說(shuō)也不是完全沒(méi)有道理的。但是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)還無(wú)法證明宇宙要膨脹到什么程度后,再重新收縮回到新的極點(diǎn)(不會(huì)是原來(lái)的極點(diǎn)),進(jìn)行下一次的輪回。而且也無(wú)法證明宇宙已經(jīng)歷了多少次,還會(huì)經(jīng)歷多少次輪回,才會(huì)真正進(jìn)入死寂狀態(tài)?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)宇宙的輪回相對(duì)于地球上的人類甚至相對(duì)于地球的壽命而言都是無(wú)限長(zhǎng)的,因而作為地球上的人類來(lái)談?wù)撚钪鏌峒耪f(shuō)實(shí)際上是毫無(wú)實(shí)際意義的。

3 宇宙有限無(wú)界

宇宙究竟是有限還是無(wú)限的呢,一種“局域宇宙說(shuō)”[2]給出了令人滿意的詮釋,“局域宇宙說(shuō)”認(rèn)為處于這個(gè)宇宙中的任何元素(包括人類)都永遠(yuǎn)無(wú)法了解(任何技術(shù)都無(wú)法探測(cè)到)自己宇宙之外的其他宇宙的情況,局域宇宙中的任何元素(包括微粒和光子)都不可能脫離這個(gè)宇宙飛出邊界。換句話說(shuō),即使我們居住的這個(gè)小宇宙之外還有更多的大宇宙,那些大宇宙距我們是如此之遠(yuǎn),我們也永遠(yuǎn)不可能了解他們。因而無(wú)論宇宙是有限的還是無(wú)限的,在我們看來(lái)都是無(wú)限的。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)目前能夠觀測(cè)到140億光年以內(nèi)的星體,認(rèn)為這是宇宙的邊界。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,必定會(huì)觀測(cè)到更遠(yuǎn)的星空,那么宇宙的邊界必將會(huì)更遙遠(yuǎn)。所以目前看來(lái),宇宙應(yīng)該被描述為有限而無(wú)界,換句話說(shuō),宇宙中的物質(zhì)總量是一定的,但他沒(méi)有邊界,因?yàn)樗倪吔缡侨绱诉b遠(yuǎn),根據(jù)局域宇宙理論是無(wú)法探測(cè)到的。

4 假想與推測(cè)

即便有限無(wú)限的問(wèn)題得到了解決,熱力學(xué)第二定律能否推廣到整個(gè)宇宙仍然是個(gè)問(wèn)題。大家知道牛頓定律只適應(yīng)于星球上的宏觀系統(tǒng),對(duì)于分子原子級(jí)的微觀系統(tǒng)則要引用量子力學(xué)理論,而對(duì)于星球之外的浩瀚宇宙則要應(yīng)用愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論,可見(jiàn)任何一種定律都不是萬(wàn)能的,都有它的局限和適用范圍。雖然現(xiàn)在仍然無(wú)法否定熱力學(xué)第二定律能否推廣到整個(gè)宇宙這一結(jié)論,但是似乎也永遠(yuǎn)無(wú)法驗(yàn)證這一結(jié)論的正確性,一個(gè)永遠(yuǎn)也無(wú)法驗(yàn)證的結(jié)論即便是真理也是毫無(wú)實(shí)際意義的。到這里最好用作者的一句話作為對(duì)這個(gè)問(wèn)題的圓滿回答:用地球上數(shù)百年的科學(xué)理論來(lái)解讀浩瀚無(wú)垠的宇宙是十分幼稚可笑的,同人類數(shù)千年的文明史來(lái)類比宇宙數(shù)百億年的天體演變史是十分渺小的。

但是對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的回答我們還是有必要說(shuō)出些一二來(lái),為的是要滿足廣大讀者的好奇心。首先要回答熱力學(xué)定律能不能推廣到整個(gè)宇宙中去的問(wèn)題,熱力學(xué)定律是在有限時(shí)間和有限空間通過(guò)總結(jié)大量事實(shí)得到的,這不僅與整個(gè)宇宙的發(fā)展過(guò)程相比非常渺小,就是和大星群的發(fā)展過(guò)程相比也微不足道。因而它的適應(yīng)范圍也是有限的,它是在地球上總結(jié)出來(lái)的規(guī)律,雖然在有限的太空中也發(fā)現(xiàn)了第二定律能夠適應(yīng)的證據(jù),但這些證據(jù)都不足以將它推廣到整個(gè)宇宙中去,而且對(duì)于有少量原子或分子組成的系統(tǒng)熱力學(xué)第二定律也并不適應(yīng),因?yàn)樗鼈冏裱?jīng)典力學(xué)或量子力學(xué)中的可逆運(yùn)動(dòng)規(guī)律。另一方面,如果因?yàn)樽C據(jù)不足就像以前的教科書那樣全盤地加以否定[3],也是無(wú)法令人信服的。熱力學(xué)第二定律能不能推廣到整個(gè)宇宙還需要進(jìn)一步地實(shí)踐檢驗(yàn),但可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間甚至永遠(yuǎn)也無(wú)法驗(yàn)證這一結(jié)論。其次要回答宇宙是否像第二定律描述的那樣正逐步趨向平衡態(tài),目前的天文觀測(cè)已可達(dá)到極其遙遠(yuǎn)的太空,雖然也觀測(cè)到有的恒星在向它的晚年趨近,但同時(shí)也觀測(cè)到新的星系在形成,絲毫卻沒(méi)有找到整個(gè)宇宙趨向平衡的跡象,但這或許也是由于我們的視野不夠?qū)拸V,獲得的數(shù)據(jù)不夠充分所致。第三要回答是否只有平衡態(tài)才是唯一穩(wěn)定的狀態(tài),耗散結(jié)構(gòu)的理論為自然界存在的大量的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的有序現(xiàn)象提供了科學(xué)的依據(jù),因而人們除了看到通常熱力學(xué)給出的趨向平衡的景象外,尚可以看到“達(dá)爾文”式的生動(dòng)活潑的生命進(jìn)化的情景。第四點(diǎn)需要說(shuō)明的是,目前關(guān)于宇宙起源的假說(shuō),最令人信服的觀點(diǎn)是起源于大約一百四十億年之前的一次“大爆炸”,目前用太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到宇宙中所有的星系都在向外膨脹,相對(duì)于任何星系而言,所有的星系都在退行,離我們地球越遠(yuǎn)的星系退行的速度越快,就是說(shuō),整個(gè)宇宙都在向四周迅速膨脹,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到平衡狀態(tài)。萬(wàn)有引力是否能夠克服膨脹力把天體拉回到平衡位置,在科學(xué)界至今仍然沒(méi)有定論。第五點(diǎn)需要指出的是,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)已經(jīng)證實(shí),地球自誕生以來(lái),至少已經(jīng)歷了五六次生物滅絕階段,大約兩三千萬(wàn)年便要重復(fù)發(fā)生一次,可以肯定地說(shuō),我們這一期地球上的人類,連地球的死亡也不會(huì)看到,自然更不會(huì)看到宇宙的死亡。最后,我們需要確信的是,宇宙是動(dòng)態(tài)的也是有生命的,有生必然會(huì)有死,這是自然發(fā)展的規(guī)律,宇宙熱寂說(shuō)或許正是這種自然規(guī)律的真實(shí)寫照。

假設(shè)熱力學(xué)第一二定律能夠推廣到整個(gè)宇宙的話,從熱力學(xué)第一定律的觀點(diǎn)看,宇宙的能量將保持守恒,宇宙將永遠(yuǎn)不會(huì)消亡,這一點(diǎn)似乎不會(huì)引起更大的爭(zhēng)議。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是如果熱力學(xué)第二定律能夠推廣到整個(gè)宇宙的話,那么宇宙的熵將永遠(yuǎn)增大,最后宇宙將要死亡,生命將要終結(jié)。在回答這個(gè)問(wèn)題之前,先來(lái)看一看宇宙的壽命,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)已證實(shí)太陽(yáng)和地球的形成已有四五十億年的歷史,現(xiàn)在正處于青壯年時(shí)期,估計(jì)太陽(yáng)和地球的壽命都將要超過(guò)一百億年左右,而宇宙和天體的年齡就更長(zhǎng),現(xiàn)代自然科學(xué)已經(jīng)對(duì)整個(gè)宇宙的年齡作出至少140億年的估算。如果將整個(gè)宇宙的壽命作為終了的話,至少也還有幾百億年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,這樣漫長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)于人類來(lái)說(shuō)已經(jīng)是無(wú)限長(zhǎng)的了,何況宇宙的壽命(只是一個(gè)輪回)和宇宙的熱寂(最終死亡)還并不是同一個(gè)概念。

過(guò)了數(shù)百億年之后,假使宇宙的熵已經(jīng)達(dá)到了極大,宇宙也還并不會(huì)完全死亡,還會(huì)有漲落和生命。因?yàn)锽oltzmann的熵定理指明了熱力學(xué)第二定律具有統(tǒng)計(jì)意義,它幾乎給予宇宙熱寂說(shuō)以毀滅性的打擊,因?yàn)閺慕y(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)看,宇宙的熵并不一定減少,只是減少的概率大很多而已。另一方面,由熱力學(xué)第二定律所得出的結(jié)論也只適應(yīng)于含有大量粒子的有限系統(tǒng),當(dāng)它應(yīng)用于宇宙時(shí),便會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題,宇宙中的星體是否足夠多,假使足夠多的話,那宇宙還是有限的嗎,這是一對(duì)矛盾。所以說(shuō),當(dāng)熱力學(xué)第二定律應(yīng)用于整個(gè)宇宙時(shí),必然會(huì)產(chǎn)生巨大的漲落現(xiàn)象,而不會(huì)逐漸死亡。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)還證明,宇宙中熱循環(huán)的形式是多種多樣的,物質(zhì)的各種運(yùn)動(dòng)形式之間都可以相互轉(zhuǎn)化,幾百億年之后宇宙即使達(dá)到了熱平衡(宇宙的熵達(dá)到最大),也只是暫時(shí)的平衡,也不會(huì)進(jìn)入真正的“死寂”狀態(tài),因?yàn)檫€有力學(xué)平衡化學(xué)平衡等各種各樣的平衡尚未達(dá)到,所有這些不平衡都會(huì)轉(zhuǎn)化為新的熱運(yùn)動(dòng),因而即使宇宙出現(xiàn)了第一個(gè)熱寂狀態(tài),也并不意味著宇宙進(jìn)入了最終的死寂狀態(tài)。何況宇宙間的各種平衡無(wú)時(shí)無(wú)刻不在相互轉(zhuǎn)化,宇宙間熵增加或熵減少的子系統(tǒng)都是同時(shí)存在的,因而在其它形式的平衡尚未達(dá)到之前不可能率先達(dá)到熱平衡。過(guò)了數(shù)百億年之后再過(guò)數(shù)百億年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,果真包括力學(xué)平衡在內(nèi)的所有的平衡都已經(jīng)達(dá)到,那么宇宙將進(jìn)入一個(gè)永恒的無(wú)生命的世界。或許,宇宙最終也可能將進(jìn)入下一個(gè)輪回的混沌世界,不過(guò)至少那是1000億年之后的事了,那時(shí)宇宙中可能只有光子、中微子、電子、正電子組成的稀薄的等離子體了,這才是真正意義上的混沌世界！[4]

人類正在逐漸揭開(kāi)宇宙的神秘面紗,人們已經(jīng)解開(kāi)了無(wú)數(shù)個(gè)千百年來(lái)的未解之謎,還會(huì)不斷地解開(kāi)未解的和新發(fā)現(xiàn)的宇宙之謎?，F(xiàn)代自然科學(xué)的誕生已經(jīng)徹底改變了人們對(duì)世界的看法,人們正在解開(kāi)迷信而不再相信迷信,人們正在解開(kāi)宇宙的起源之謎而不再相信上帝是宇宙起源的原動(dòng)力。同時(shí)我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,人類的生命以及人類的能力都是很有限的,我們不可能解開(kāi)所有的宇宙之謎,甚至我們也不可能解開(kāi)所有的地球之謎。人類甚至地球和整個(gè)太陽(yáng)系相對(duì)于整個(gè)宇宙來(lái)說(shuō)都是十分渺小的,人類和宇宙就是處在這樣不斷地演變和進(jìn)化之中,這就是自然。

[1]廉有清.宇宙未解之謎.中國(guó)書畫出版社,(2009.01):88-90.

[2]陳紹光.誰(shuí)引爆了宇宙.四川科學(xué)技術(shù)出版社,(2004):177-206.

[3]汪志誠(chéng).熱力學(xué).統(tǒng)計(jì)物理。高等教育出版社,(1980.09):56.

[4]蘇宜.天文學(xué)新概論.科學(xué)出版社,(2009.08):66-68.

It is the new view on the heat death of the universe,that is evaluated and interpreted by the author who uses the latest research results of modern science about the origins and the formation of the universe again,which abandons the critical thinking from the previous textbooks.

universe the heat death Clausius 14 giga years big bomb

朱元舉(1962-),男,山東臨沭,中科院大連化物所物理化學(xué)碩士,河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院講師,主要從事物理化學(xué)教學(xué)與研究。