朱元舉

(河南大學化學化工學院,河南開封 475004)

宇宙熱寂說新解

朱元舉

(河南大學化學化工學院,河南開封 475004)

宇宙熱寂說新解摒棄了以前教科書持批判觀點的思想.作者運用現(xiàn)代自然科學關(guān)于宇宙起源和形成的最新研究成果,對宇宙熱寂說進行了重新評價和解讀.作者還認為所謂的“大爆炸”是宇宙輪回的開始,和所謂的局域宇宙說并不矛盾。

宇宙 熱寂說 克勞修斯 140億年 “大爆炸” 局域宇宙說

1 宇宙熱寂說

宇宙熱寂說是一個古老而又嶄新的話題,說它古老是因為自它被提出來之日起就備受爭議,至今已經(jīng)整整地爭論了一個半世紀;說它嶄新,是由于相對于結(jié)果出現(xiàn)的時間(數(shù)百億年之后或更長)而言仿佛就發(fā)生在昨天。

宇宙熱寂說最早是由德國物理學家克勞修斯(R．J．E．Clausius,1822-1888)提出來的。1867年,就在Clausius提出熵的概念兩年后,他將熱力學第一定律和熵增加原理(即熱力學第二定律)推廣到整個宇宙,認為宇宙的能量永遠守恒,宇宙的熵永遠增大,隨著時間的推移,宇宙的熵將越來越接近一個極限狀態(tài),如果最后接近或完全達到了這個狀態(tài),那就任何進一步的變化都不會發(fā)生了,這時宇宙就會進入一個熱動平衡的死寂狀態(tài),這就是著名的宇宙熱寂說。“熱寂說”認為宇宙中的一切運動形態(tài)都將轉(zhuǎn)化為熱,而熱又是“低級的能量”,只能從高溫流向低溫而消散,因此可以做功的能量越來越少,最后達到溫度相等的熱死狀態(tài)。

熱寂說初看起來有些危言聳聽,這主要是由于當時的具體條件決定的。長期以來,人們對太陽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有搞清楚。這樣一來,熱寂說一出,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。從辨證的觀點看,宇宙有生便有死,熱寂說或許正反應(yīng)了宇宙終究要死亡的客觀規(guī)律。

2 宇宙起源

關(guān)于宇宙起源的問題是個至今仍然爭論不休的話題,如果承認宇宙有末日,就要承認它的開始,由此又會引出一個荒謬的論點,即“造物主”(即“原始推動力”或“上帝”)的存在。隨著自然科學和現(xiàn)代天文學的縱深發(fā)展,我們有理由相信,在不遠的將來人們終于會揭開宇宙起源的神秘面紗。同宇宙起源說一樣,宇宙熱寂說也是一個至今仍然爭論不休的話題,或許再爭論數(shù)百年也不會有任何肯定或否定的結(jié)論。原因很簡單,因為宇宙究竟是有限還是無限的呢——至今仍然是個謎——或許是個無解的謎,如果宇宙是無限的話,那么在有限空間得到的定律能夠適用于無限空間嗎？如果宇宙是有限的話,宇宙必然會有邊界,而且邊界之外必然會有別的東西,那么宇宙還是孤立系統(tǒng)嗎？不過現(xiàn)代科學理論越來越證明宇宙是有限的,它的邊界大約在140億光年之外?，F(xiàn)代科學技術(shù)還越來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,是指宇宙輪回的開始。這是對宇宙起源說的重新解讀,認為宇宙膨脹到一定程度后,又靠萬有引力的作用重新聚集,從而又開始新一輪的輪回。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,開始新一輪的輪回。以上這些假說,目前還沒有定論,現(xiàn)代科學理論還無法證明:萬有引力是否能夠?qū)⒎稚⒌奈镔|(zhì)重新拉回到原來的位置。),“大爆炸”之前的宇宙是一個物質(zhì)和能量高度集中的極點,“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]。可見,從現(xiàn)代科學技術(shù)對宇宙的重新描述看,宇宙熱寂說也不是完全沒有道理的。但是現(xiàn)代科學技術(shù)還無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(不會是原來的極點),進行下一次的輪回。而且也無法證明宇宙已經(jīng)歷了多少次,還會經(jīng)歷多少次輪回,才會真正進入死寂狀態(tài)。可以肯定地說宇宙的輪回相對于地球上的人類甚至相對于地球的壽命而言都是無限長的,因而作為地球上的人類來談?wù)撚钪鏌峒耪f實際上是毫無實際意義的。

3 宇宙有限無界

宇宙究竟是有限還是無限的呢,一種“局域宇宙說”[2]給出了令人滿意的詮釋,“局域宇宙說”認為處于這個宇宙中的任何元素(包括人類)都永遠無法了解(任何技術(shù)都無法探測到)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)都不可能脫離這個宇宙飛出邊界。換句話說,即使我們居住的這個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,我們也永遠不可能了解他們。因而無論宇宙是有限的還是無限的,在我們看來都是無限的。現(xiàn)代科學技術(shù)目前能夠觀測到140億光年以內(nèi)的星體,認為這是宇宙的邊界。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,必定會觀測到更遠的星空,那么宇宙的邊界必將會更遙遠。所以目前看來,宇宙應(yīng)該被描述為有限而無界,換句話說,宇宙中的物質(zhì)總量是一定的,但他沒有邊界,因為他的邊界是如此遙遠,根據(jù)局域宇宙理論是無法探測到的。

4 假想與推測

即便有限無限的問題得到了解決,熱力學第二定律能否推廣到整個宇宙仍然是個問題。大家知道牛頓定律只適應(yīng)于星球上的宏觀系統(tǒng),對于分子原子級的微觀系統(tǒng)則要引用量子力學理論,而對于星球之外的浩瀚宇宙則要應(yīng)用愛因斯坦的廣義相對論,可見任何一種定律都不是萬能的,都有它的局限和適用范圍。雖然現(xiàn)在仍然無法否定熱力學第二定律能否推廣到整個宇宙這一結(jié)論,但是似乎也永遠無法驗證這一結(jié)論的正確性,一個永遠也無法驗證的結(jié)論即便是真理也是毫無實際意義的。到這里最好用作者的一句話作為對這個問題的圓滿回答:用地球上數(shù)百年的科學理論來解讀浩瀚無垠的宇宙是十分幼稚可笑的,同人類數(shù)千年的文明史來類比宇宙數(shù)百億年的天體演變史是十分渺小的。

但是對于這個問題的回答我們還是有必要說出些一二來,為的是要滿足廣大讀者的好奇心。首先要回答熱力學定律能不能推廣到整個宇宙中去的問題,熱力學定律是在有限時間和有限空間通過總結(jié)大量事實得到的,這不僅與整個宇宙的發(fā)展過程相比非常渺小,就是和大星群的發(fā)展過程相比也微不足道。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宇宙中去,而且對于有少量原子或分子組成的系統(tǒng)熱力學第二定律也并不適應(yīng),因為它們遵循經(jīng)典力學或量子力學中的可逆運動規(guī)律。另一方面,如果因為證據(jù)不足就像以前的教科書那樣全盤地加以否定[3],也是無法令人信服的。熱力學第二定律能不能推廣到整個宇宙還需要進一步地實踐檢驗,但可能需要很長的時間甚至永遠也無法驗證這一結(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),目前的天文觀測已可達到極其遙遠的太空,雖然也觀測到有的恒星在向它的晚年趨近,但同時也觀測到新的星系在形成,絲毫卻沒有找到整個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離平衡態(tài)的有序現(xiàn)象提供了科學的依據(jù),因而人們除了看到通常熱力學給出的趨向平衡的景象外,尚可以看到“達爾文”式的生動活潑的生命進化的情景。第四點需要說明的是,目前關(guān)于宇宙起源的假說,最令人信服的觀點是起源于大約一百四十億年之前的一次“大爆炸”,目前用太空望遠鏡觀測到宇宙中所有的星系都在向外膨脹,相對于任何星系而言,所有的星系都在退行,離我們地球越遠的星系退行的速度越快,就是說,整個宇宙都在向四周迅速膨脹,還遠遠沒有達到平衡狀態(tài)。萬有引力是否能夠克服膨脹力把天體拉回到平衡位置,在科學界至今仍然沒有定論。第五點需要指出的是,現(xiàn)代科學技術(shù)已經(jīng)證實,地球自誕生以來,至少已經(jīng)歷了五六次生物滅絕階段,大約兩三千萬年便要重復(fù)發(fā)生一次,可以肯定地說,我們這一期地球上的人類,連地球的死亡也不會看到,自然更不會看到宇宙的死亡。最后,我們需要確信的是,宇宙是動態(tài)的也是有生命的,有生必然會有死,這是自然發(fā)展的規(guī)律,宇宙熱寂說或許正是這種自然規(guī)律的真實寫照。

假設(shè)熱力學第一二定律能夠推廣到整個宇宙的話,從熱力學第一定律的觀點看,宇宙的能量將保持守恒,宇宙將永遠不會消亡,這一點似乎不會引起更大的爭議。爭論的焦點是如果熱力學第二定律能夠推廣到整個宇宙的話,那么宇宙的熵將永遠增大,最后宇宙將要死亡,生命將要終結(jié)。在回答這個問題之前,先來看一看宇宙的壽命,現(xiàn)代科學技術(shù)已證實太陽和地球的形成已有四五十億年的歷史,現(xiàn)在正處于青壯年時期,估計太陽和地球的壽命都將要超過一百億年左右,而宇宙和天體的年齡就更長,現(xiàn)代自然科學已經(jīng)對整個宇宙的年齡作出至少140億年的估算。如果將整個宇宙的壽命作為終了的話,至少也還有幾百億年甚至更長的時間,這樣漫長的時間對于人類來說已經(jīng)是無限長的了,何況宇宙的壽命(只是一個輪回)和宇宙的熱寂(最終死亡)還并不是同一個概念。

過了數(shù)百億年之后,假使宇宙的熵已經(jīng)達到了極大,宇宙也還并不會完全死亡,還會有漲落和生命。因為Boltzmann的熵定理指明了熱力學第二定律具有統(tǒng)計意義,它幾乎給予宇宙熱寂說以毀滅性的打擊,因為從統(tǒng)計的觀點看,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),當它應(yīng)用于宇宙時,便會產(chǎn)生這樣的問題,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,這是一對矛盾。所以說,當熱力學第二定律應(yīng)用于整個宇宙時,必然會產(chǎn)生巨大的漲落現(xiàn)象,而不會逐漸死亡。

現(xiàn)代科學技術(shù)還證明,宇宙中熱循環(huán)的形式是多種多樣的,物質(zhì)的各種運動形式之間都可以相互轉(zhuǎn)化,幾百億年之后宇宙即使達到了熱平衡(宇宙的熵達到最大),也只是暫時的平衡,也不會進入真正的“死寂”狀態(tài),因為還有力學平衡化學平衡等各種各樣的平衡尚未達到,所有這些不平衡都會轉(zhuǎn)化為新的熱運動,因而即使宇宙出現(xiàn)了第一個熱寂狀態(tài),也并不意味著宇宙進入了最終的死寂狀態(tài)。何況宇宙間的各種平衡無時無刻不在相互轉(zhuǎn)化,宇宙間熵增加或熵減少的子系統(tǒng)都是同時存在的,因而在其它形式的平衡尚未達到之前不可能率先達到熱平衡。過了數(shù)百億年之后再過數(shù)百億年甚至更長的時間,果真包括力學平衡在內(nèi)的所有的平衡都已經(jīng)達到,那么宇宙將進入一個永恒的無生命的世界?；蛟S,宇宙最終也可能將進入下一個輪回的混沌世界,不過至少那是1000億年之后的事了,那時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]

人類正在逐漸揭開宇宙的神秘面紗,人們已經(jīng)解開了無數(shù)個千百年來的未解之謎,還會不斷地解開未解的和新發(fā)現(xiàn)的宇宙之謎。現(xiàn)代自然科學的誕生已經(jīng)徹底改變了人們對世界的看法,人們正在解開迷信而不再相信迷信,人們正在解開宇宙的起源之謎而不再相信上帝是宇宙起源的原動力。同時我們也應(yīng)該認識到,人類的生命以及人類的能力都是很有限的,我們不可能解開所有的宇宙之謎,甚至我們也不可能解開所有的地球之謎。人類甚至地球和整個太陽系相對于整個宇宙來說都是十分渺小的,人類和宇宙就是處在這樣不斷地演變和進化之中,這就是自然。

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

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

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

[4]蘇宜.天文學新概論.科學出版社,(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碩士,河南大學化學化工學院講師,主要從事物理化學教學與研究。