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新牛顿宇宙 第三章 微波背景辐射 3.8热寂说 热寂说的最初想法是1852年4月19日，开尔文在《爱丁堡皇家学会议事录》上发表的《论自然界中机械能散逸的普遍趋势》一文首先提出。开尔文在文章中指出：“在现今，在物质世界中进行着使机械能散失的普遍趋势……在将要到来的一个有限时期内，除非采取或将采取某些目前世界上已知的并正在遵循的规律所不能接受的措施，否则地球必将开始不适合人类像目前这样居住下去 ”。1867年，德国物理学家克劳修斯在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生代表大会上，提出了熵的概念并把它推广到整个宇宙，形成宇宙热寂说。从此为后来的科学界与哲学界留下了一场旷日持久的争论。 时至今日，热寂说在国内外仍然有它的市场。例如，今年在ApJ上，澳大利亚国立大学“天文学和天体物理学”研究学院的查斯•伊根博士和查理•莱恩威弗博士合作发表了一篇他们对 ‘宇宙的熵’进行估算的文章。他们估算的结果是：现在‘宇宙的熵’比之前估算的要多30倍。 在科学网上也时常出现有关‘熵和热寂说’的争论文章。郝云龙先生对这个问题收集了大量资料，写了多篇文章在科学网上发表。其中有一篇题目为‘熵_克劳修斯熵_对“热寂说”的科学真相的探索’的文章列举了许多批评“热寂说”的理论，我认为其中一些理论是很有道理的。但提出这些理论的学者把这些理论和宇宙大爆炸联系起来，我认为这是没有必要。下面是我根据郝云龙先生在‘熵_克劳修斯熵_对“热寂说”的科学真相的探索’一文中的那些我认为有道理的理论（把宇宙大爆炸因素去掉以后），来讨论热寂说存在的问题和解决热寂说疑难的理论要点。 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。在热力学中考虑热平衡时，通常是不考虑组成热力学体系的分子之间的引力相互作用。热运动使气体分布均匀，而引力使气体集中。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，只存在不稳定的状态。前苏联物理学家郎道曾指出，由于引力的存在，不稳定的引力场永远不会使系统达到完全平衡。 在引力主导的条件下，均匀分布状态并不稳定。因为，只要在某个局部区域内，由于起伏，密度稍高一点，则此区域的引力会更强，从而吸引更多的物质形成高密度区，破坏平衡。同理，由于起伏，某区域的密度低了一点，则引力变弱，就会有更多的物质逃离此区域形成低密度区，从而破坏均匀。宇宙中的物质就是依靠这种非均匀化的过程，产生了恒星、星系和星系团等各个层次的成团结构。至于这种不稳定状态的最初源头，我们可以用波尔兹曼(L. Boltzmann)的“涨落”理论来解释。 由于涨落和引力作用，必然导致宇宙中物质分布层次成团结构的存在，宇宙永远不会进入一个物质和温度都均匀分布的“死寂”状态。英国学者P．柯文尼等1990年在‘时间之箭’一书中也指出：“实际上，热寂的说法是有问题的，因为它忽视了引力(和黑洞)的作用。如果包括引力，宇宙必定越来越偏离热寂所想象的物质均匀分布。” 宇宙中物质有两类，一类是辐射，另一类是粒子，辐射的温度Tr与粒子的温度Tm可以不一样。但按照经典热力学，经过一段时间达到热平衡以后，Tr与Tm必定相同。不过由于涨落和引力作用，这样的热平衡是永远达不到的。热寂说没有考虑涨落和引力作用，导致了谬误的热寂说。而‘微波背景辐射是宇宙大爆炸的遗迹’这个说法则是没有考虑辐射和粒子物质相互作用的结果。 根据经典热力学，任何粒子物质体系，只要它的温度不是达到绝对零度，都要发出辐射，都要通过辐射发生相互作用。只有这样，粒子物质和辐射才能向热平衡状态发展。而‘微波背景辐射是宇宙大爆炸的遗迹’这个说法完全没有考虑物质和辐射这个相互作用，认为只要自由电子消失了，辐射和粒子物质就完全‘退耦’，不会再存在相互作用，这也是违反经典热力学原理的。何况，由于宇宙空间中大量高温电离气体的存在，自由电子从未消失，辐射和粒子物质的完全‘退耦’更不可能出现。 ‘微波背景辐射是宇宙大爆炸的遗迹’这个说法实际上是‘热寂说’的一个变种。根据俞允强教授在‘热大爆炸宇宙学’中给出的，标准宇宙学模型对暴涨的论述（我认为俞允强教授对暴涨理论并不相信，因此才会在一开始就明确指出（p113）：可惜的是对暴涨本身的实际起因，今天尚没有肯定的答案），暴涨使宇宙气体的温度徒然下降，暴涨后气体得到了重新加热，温度又奇迹般地回到标准宇宙学模型所要求的数值附近，然后宇宙温度将继续按标准模型的行为下降。所谓‘宇宙温度将继续按标准模型的行为下降’实际上就是宇宙‘温度’将趋向宇宙热寂的终点。 按照李淼先生在‘宇宙撕裂，万物消失’一文中的描述，如果暗能量密度是一个恒量，宇宙将是开放的，宇宙会一直膨胀下去。最后将导出和‘热寂说’一样的结论，‘宇宙撕裂，万物消失’，宇宙物质的分布也要趋向宇宙热寂的终点。所有这些推论都是在不合理的假设前提下，片面地根据热力学定律推导出来的错误结论。这些也是澳大利亚国立大学“天文学和天体物理学”研究学院的查斯•伊根博士和查理•莱恩威弗博士合作估算宇宙的“熵”的根据和结论。 参考文献 50 郝云龙熵_克劳修斯熵_对“热寂说”的科学真相的探索 地址： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=317488 51 Egan Chas A., Lineweaver Charles H., 2010 ApJ 710 1825 A Larger Estimate of the Entropy of the Universe （新牛顿宇宙 第三章 微波背景辐射 3.8 热寂说） |
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