宇宙热寂说新解

朱元举

(河南大学化学化工学院,河南开封 475004)

宇宙热寂说新解

朱元举

(河南大学化学化工学院,河南开封 475004)

宇宙热寂说新解摒弃了以前教科书持批判观点的思想.作者运用现代自然科学关于宇宙起源和形成的最新研究成果,对宇宙热寂说进行了重新评价和解读.作者还认为所谓的“大爆炸”是宇宙轮回的开始,和所谓的局域宇宙说并不矛盾。

宇宙 热寂说 克劳修斯 140亿年 “大爆炸” 局域宇宙说

1 宇宙热寂说

宇宙热寂说是一个古老而又崭新的话题,说它古老是因为自它被提出来之日起就备受争议,至今已经整整地争论了一个半世纪;说它崭新,是由于相对于结果出现的时间(数百亿年之后或更长)而言仿佛就发生在昨天。

宇宙热寂说最早是由德国物理学家克劳修斯(R．J．E．Clausius,1822-1888)提出来的。1867年,就在Clausius提出熵的概念两年后,他将热力学第一定律和熵增加原理(即热力学第二定律)推广到整个宇宙,认为宇宙的能量永远守恒,宇宙的熵永远增大,随着时间的推移,宇宙的熵将越来越接近一个极限状态,如果最后接近或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热动平衡的死寂状态,这就是著名的宇宙热寂说。“热寂说”认为宇宙中的一切运动形态都将转化为热,而热又是“低级的能量”,只能从高温流向低温而消散,因此可以做功的能量越来越少,最后达到温度相等的热死状态。

热寂说初看起来有些危言耸听,这主要是由于当时的具体条件决定的。长期以来,人们对太阳系之外的宇宙世界了解甚少,甚至连地球的起源和年龄也还没有搞清楚。这样一来,热寂说一出,好像马上就要到世界末日一样,所以不断地遭到人们的非议和批判。从辨证的观点看,宇宙有生便有死,热寂说或许正反应了宇宙终究要死亡的客观规律。

2 宇宙起源

关于宇宙起源的问题是个至今仍然争论不休的话题,如果承认宇宙有末日,就要承认它的开始,由此又会引出一个荒谬的论点,即“造物主”(即“原始推动力”或“上帝”)的存在。随着自然科学和现代天文学的纵深发展,我们有理由相信,在不远的将来人们终于会揭开宇宙起源的神秘面纱。同宇宙起源说一样,宇宙热寂说也是一个至今仍然争论不休的话题,或许再争论数百年也不会有任何肯定或否定的结论。原因很简单,因为宇宙究竟是有限还是无限的呢——至今仍然是个谜——或许是个无解的谜,如果宇宙是无限的话,那么在有限空间得到的定律能够适用于无限空间吗？如果宇宙是有限的话,宇宙必然会有边界,而且边界之外必然会有别的东西,那么宇宙还是孤立系统吗？不过现代科学理论越来越证明宇宙是有限的,它的边界大约在140亿光年之外。现代科学技术还越来越倾向于宇宙起源于大约140亿年之前的一次“大爆炸”(文中所说的“大爆炸”和通常所指的大爆炸概念有所不同,是指宇宙轮回的开始。这是对宇宙起源说的重新解读,认为宇宙膨胀到一定程度后,又靠万有引力的作用重新聚集,从而又开始新一轮的轮回。需要指出的是分散的一部分物质,也有可能被其他局域宇宙中的物质俘获重新聚集,开始新一轮的轮回。以上这些假说,目前还没有定论,现代科学理论还无法证明:万有引力是否能够将分散的物质重新拉回到原来的位置。),“大爆炸”之前的宇宙是一个物质和能量高度集中的极点,“大爆炸”之后宇宙迅速膨胀,温度迅速降低,大约经历140亿年形成现在的宇宙[1]。可见,从现代科学技术对宇宙的重新描述看,宇宙热寂说也不是完全没有道理的。但是现代科学技术还无法证明宇宙要膨胀到什么程度后,再重新收缩回到新的极点(不会是原来的极点),进行下一次的轮回。而且也无法证明宇宙已经历了多少次,还会经历多少次轮回,才会真正进入死寂状态。可以肯定地说宇宙的轮回相对于地球上的人类甚至相对于地球的寿命而言都是无限长的,因而作为地球上的人类来谈论宇宙热寂说实际上是毫无实际意义的。

3 宇宙有限无界

宇宙究竟是有限还是无限的呢,一种“局域宇宙说”[2]给出了令人满意的诠释,“局域宇宙说”认为处于这个宇宙中的任何元素(包括人类)都永远无法了解(任何技术都无法探测到)自己宇宙之外的其他宇宙的情况,局域宇宙中的任何元素(包括微粒和光子)都不可能脱离这个宇宙飞出边界。换句话说,即使我们居住的这个小宇宙之外还有更多的大宇宙,那些大宇宙距我们是如此之远,我们也永远不可能了解他们。因而无论宇宙是有限的还是无限的,在我们看来都是无限的。现代科学技术目前能够观测到140亿光年以内的星体,认为这是宇宙的边界。随着科学技术的发展,必定会观测到更远的星空,那么宇宙的边界必将会更遥远。所以目前看来,宇宙应该被描述为有限而无界,换句话说,宇宙中的物质总量是一定的,但他没有边界,因为他的边界是如此遥远,根据局域宇宙理论是无法探测到的。

4 假想与推测

即便有限无限的问题得到了解决,热力学第二定律能否推广到整个宇宙仍然是个问题。大家知道牛顿定律只适应于星球上的宏观系统,对于分子原子级的微观系统则要引用量子力学理论,而对于星球之外的浩瀚宇宙则要应用爱因斯坦的广义相对论,可见任何一种定律都不是万能的,都有它的局限和适用范围。虽然现在仍然无法否定热力学第二定律能否推广到整个宇宙这一结论,但是似乎也永远无法验证这一结论的正确性,一个永远也无法验证的结论即便是真理也是毫无实际意义的。到这里最好用作者的一句话作为对这个问题的圆满回答:用地球上数百年的科学理论来解读浩瀚无垠的宇宙是十分幼稚可笑的,同人类数千年的文明史来类比宇宙数百亿年的天体演变史是十分渺小的。

但是对于这个问题的回答我们还是有必要说出些一二来,为的是要满足广大读者的好奇心。首先要回答热力学定律能不能推广到整个宇宙中去的问题,热力学定律是在有限时间和有限空间通过总结大量事实得到的,这不仅与整个宇宙的发展过程相比非常渺小,就是和大星群的发展过程相比也微不足道。因而它的适应范围也是有限的,它是在地球上总结出来的规律,虽然在有限的太空中也发现了第二定律能够适应的证据,但这些证据都不足以将它推广到整个宇宙中去,而且对于有少量原子或分子组成的系统热力学第二定律也并不适应,因为它们遵循经典力学或量子力学中的可逆运动规律。另一方面,如果因为证据不足就像以前的教科书那样全盘地加以否定[3],也是无法令人信服的。热力学第二定律能不能推广到整个宇宙还需要进一步地实践检验,但可能需要很长的时间甚至永远也无法验证这一结论。其次要回答宇宙是否像第二定律描述的那样正逐步趋向平衡态,目前的天文观测已可达到极其遥远的太空,虽然也观测到有的恒星在向它的晚年趋近,但同时也观测到新的星系在形成,丝毫却没有找到整个宇宙趋向平衡的迹象,但这或许也是由于我们的视野不够宽广,获得的数据不够充分所致。第三要回答是否只有平衡态才是唯一稳定的状态,耗散结构的理论为自然界存在的大量的远离平衡态的有序现象提供了科学的依据,因而人们除了看到通常热力学给出的趋向平衡的景象外,尚可以看到“达尔文”式的生动活泼的生命进化的情景。第四点需要说明的是,目前关于宇宙起源的假说,最令人信服的观点是起源于大约一百四十亿年之前的一次“大爆炸”,目前用太空望远镜观测到宇宙中所有的星系都在向外膨胀,相对于任何星系而言,所有的星系都在退行,离我们地球越远的星系退行的速度越快,就是说,整个宇宙都在向四周迅速膨胀,还远远没有达到平衡状态。万有引力是否能够克服膨胀力把天体拉回到平衡位置,在科学界至今仍然没有定论。第五点需要指出的是,现代科学技术已经证实,地球自诞生以来,至少已经历了五六次生物灭绝阶段,大约两三千万年便要重复发生一次,可以肯定地说,我们这一期地球上的人类,连地球的死亡也不会看到,自然更不会看到宇宙的死亡。最后,我们需要确信的是,宇宙是动态的也是有生命的,有生必然会有死,这是自然发展的规律,宇宙热寂说或许正是这种自然规律的真实写照。

假设热力学第一二定律能够推广到整个宇宙的话,从热力学第一定律的观点看,宇宙的能量将保持守恒,宇宙将永远不会消亡,这一点似乎不会引起更大的争议。争论的焦点是如果热力学第二定律能够推广到整个宇宙的话,那么宇宙的熵将永远增大,最后宇宙将要死亡,生命将要终结。在回答这个问题之前,先来看一看宇宙的寿命,现代科学技术已证实太阳和地球的形成已有四五十亿年的历史,现在正处于青壮年时期,估计太阳和地球的寿命都将要超过一百亿年左右,而宇宙和天体的年龄就更长,现代自然科学已经对整个宇宙的年龄作出至少140亿年的估算。如果将整个宇宙的寿命作为终了的话,至少也还有几百亿年甚至更长的时间,这样漫长的时间对于人类来说已经是无限长的了,何况宇宙的寿命(只是一个轮回)和宇宙的热寂(最终死亡)还并不是同一个概念。

过了数百亿年之后,假使宇宙的熵已经达到了极大,宇宙也还并不会完全死亡,还会有涨落和生命。因为Boltzmann的熵定理指明了热力学第二定律具有统计意义,它几乎给予宇宙热寂说以毁灭性的打击,因为从统计的观点看,宇宙的熵并不一定减少,只是减少的概率大很多而已。另一方面,由热力学第二定律所得出的结论也只适应于含有大量粒子的有限系统,当它应用于宇宙时,便会产生这样的问题,宇宙中的星体是否足够多,假使足够多的话,那宇宙还是有限的吗,这是一对矛盾。所以说,当热力学第二定律应用于整个宇宙时,必然会产生巨大的涨落现象,而不会逐渐死亡。

现代科学技术还证明,宇宙中热循环的形式是多种多样的,物质的各种运动形式之间都可以相互转化,几百亿年之后宇宙即使达到了热平衡(宇宙的熵达到最大),也只是暂时的平衡,也不会进入真正的“死寂”状态,因为还有力学平衡化学平衡等各种各样的平衡尚未达到,所有这些不平衡都会转化为新的热运动,因而即使宇宙出现了第一个热寂状态,也并不意味着宇宙进入了最终的死寂状态。何况宇宙间的各种平衡无时无刻不在相互转化,宇宙间熵增加或熵减少的子系统都是同时存在的,因而在其它形式的平衡尚未达到之前不可能率先达到热平衡。过了数百亿年之后再过数百亿年甚至更长的时间,果真包括力学平衡在内的所有的平衡都已经达到,那么宇宙将进入一个永恒的无生命的世界。或许,宇宙最终也可能将进入下一个轮回的混沌世界,不过至少那是1000亿年之后的事了,那时宇宙中可能只有光子、中微子、电子、正电子组成的稀薄的等离子体了,这才是真正意义上的混沌世界！[4]

人类正在逐渐揭开宇宙的神秘面纱,人们已经解开了无数个千百年来的未解之谜,还会不断地解开未解的和新发现的宇宙之谜。现代自然科学的诞生已经彻底改变了人们对世界的看法,人们正在解开迷信而不再相信迷信,人们正在解开宇宙的起源之谜而不再相信上帝是宇宙起源的原动力。同时我们也应该认识到,人类的生命以及人类的能力都是很有限的,我们不可能解开所有的宇宙之谜,甚至我们也不可能解开所有的地球之谜。人类甚至地球和整个太阳系相对于整个宇宙来说都是十分渺小的,人类和宇宙就是处在这样不断地演变和进化之中,这就是自然。

[1]廉有清.宇宙未解之谜.中国书画出版社,(2009.01):88-90.

[2]陈绍光.谁引爆了宇宙.四川科学技术出版社,(2004):177-206.

[3]汪志诚.热力学.统计物理。高等教育出版社,(1980.09):56.

[4]苏宜.天文学新概论.科学出版社,(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.

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朱元举(1962-),男,山东临沭,中科院大连化物所物理化学硕士,河南大学化学化工学院讲师,主要从事物理化学教学与研究。