关于宇宙热寂说与热力学

2025-02-16 13:09:05

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回答1：

首先，“热寂说”是依据热力学第二定律得到的结论，其主要意思是：如果将整个宇宙作为一个孤立系统的话，那么，根据热力学第二定律的熵增原理可知，整个宇宙的熵（产）将不断增加，有效能不断损失，宇宙温度将不断趋于均匀一致，最后，宇宙每一点都具有相同的温度（相同的压力、相同的物质、相同的密度……），宇宙没了差别，就没有了动力，宇宙因“热”（指熵增）而一片“寂寞”，宇宙“死亡”。
此论说一经提出，立即引起世界哗然，宇宙似乎走到尽头了。但很快有人进行了反驳，主要论点有二个：
一是“负熵”论点。其主要观点是：熵增的同时，也产生了很多的“负熵”，这些负熵，足以抵消“熵增”，所以宇宙不会死亡。可是“负熵”论点也很快被否决了。否决“负熵”论点的主要要点是：“负熵”的产生，也是以牺牲熵增为代价的，其总的结果仍然是熵增。如新星体（或星际）的形成，是“负熵”，但它是以牺牲其他高能量星体（或星际）的死亡为代价的。地球上生物的进化，也是“负熵”，是以牺牲太阳的热为代价的。但太阳最终也会死亡，整个太阳系将不复存在，等等。最终，这个观点没能站住脚。
二是热力学第二定律的适用范围论点，其主要观点是：热力学第二定律是根据宏观物系得到的结论，因此它仅适用于有限的物系，不能推广到无限的物系。而宇宙是无限的，宇宙中的物质是无限的，因此将整个宇宙作为一个孤立系统是不对的。
当然，还有许多其他的解释，如还有“大爆炸”理论等，其争论的焦点还是热力学第二定律的适用范围。
“热寂说”是否成立，多年来（几百年）对宇宙的存亡问题仍争论不休。主要是宇宙“膨胀”说。这种观点比较“客观”，认为：宇宙是否会死亡，主要取决于宇宙膨胀的速度，如果宇宙膨胀速度过慢，最终将会因宇宙引力而收缩，宇宙最终会收缩到原始点，然后再“爆炸”。如果宇宙膨胀过快，也会“坍塌”，最后还是收缩到原始点。也即宇宙膨胀太快或太慢都不行，只有当宇宙以一个临界速度膨胀，宇宙将会永远膨胀下去，这样，宇宙就会“永生”了。按照这种观点，人们把精力投入了对宇宙膨胀速度的研究。正是这样的研究，人们对宇宙又有了新的认识。
过去为探讨宇宙“存亡”问题花掉了不少时间，其实，那时我们对宇宙并没有真正地了解。随着现代技术、观察仪器、检测仪器、方法、观念等的出现，人们对宇宙有了新的认识：宇宙是由正反物质组成的，宇宙的能量也有正负。我们只能观察到正物质，了解正能量。正粒子与反粒子相撞，正反粒子都消失而形成一束光，一束强光也可以从物理真空中打出正反粒子（这就是前不久才做的实验，当时霍金还担心会出现“隧道”什么的）。但真空又是什么呢？说远了，还是聊聊“热寂说”吧。
目前已经不再讨论“热寂说”了，其原因很多，有主观上的也有客观上的。主观上，我们都不希望宇宙毁灭，客观上，我们对宇宙的认知还远远不够。我是赞成热力学第二定律是有适用范围的论点。“负熵流”虽然反对“热寂说”，但其本身也站不住脚。但我从另外的角度来考虑宇宙“生死”问题，我想，从科学认识的角度来探讨的话，远非你我辈所及，但换个角度，我们从哲学的立场来看待这个事情呢？我是这么想的：宇宙既然有一个开始，就会有一个结束。当然，也许宇宙既没有一个开始（“大爆炸”之前宇宙怎样呢），也不会有一个结束。
这个问题还是留给后人吧，我们还是做好眼前事。

回答2：

本人未见到任何有说服力的批判，同样也未见到最终的证明。热寂说是个既不能证明又不能证伪的命题，至少现在是这样。下面仅讨论目前证伪的不可能性。

热寂说是将热力学第二定律推广到整个宇宙得出的推论。由于热力学第二定律已被无数事实证明适用于人类已知的宇宙（宏观的），至少目前尚未发现反例。因此要彻底证伪热寂说至少须做到下列之一：

1. 证明宇宙是无限的，热力学第二定律对无限宇宙不适用。
2. 证明宇宙是有限的，但热力学第二定律不适用于人类未知的宇宙。
3. 证明无论宇宙是否有限，热力学第二定律不是终极真理，未来一定会被推翻。
4. 证明万有引力在宇观系统中占据主导地位（相对于热运动）。宇宙的演化是朝向有序化，或至少是在某个宏观的时段内宇宙的演化是朝向有序化。

除了以上四点是否还存在其它彻底证伪热寂说的方法，我不能断定，这是就我有限的知识范围内而言的。欢迎网友补充。

下面对这四种方法目前不可能性的进一步阐述。

1. 持宇宙是无限的，热力学第二定律对无限宇宙不适用观点的人，能证明宇宙的无限性吗？宇宙的无限性只是根据人们经验的一种推断，根据人们发现的宏观世界的范围越来越大所作出的一种“合理”推断。持该观点的人自己可以根据经验对经验外的东西作出推断，为什么禁止别人根据越来越多的事实证明第二定律的正确性，而作出类似的推断（第二定律无限地正确）呢？

2. 宇宙是有限的，但热力学第二定律不适用于人类未知的宇宙。同样的理由目前尚无法证明宇宙是有限的，也不能证明第二定律不适用于人类未知的宇宙。试图证明的人必然遇到的问题就是对于人尚未发现的宇宙，如何证明自己的推断是正确的，而热寂说的推断是错误的。

3. 持无论宇宙是否有限，热力学第二定律不是终极真理，未来一定会被推翻的观点的人，同样无法克服的逻辑矛盾就是终极真理不存在如何证明。终极真理不存在这也是人类经验的总结并根据这个总结作出的推断。

4. 万有引力在宇观系统中占据主导地位（相对于热运动）。宇宙的演化是朝向有序化，或至少是在某个宏观的时段内万有引力占据主导地位，宇宙朝向有序化演化。这种演化尽管是可能的，但同样未得到大量证据证明，更何况将来如何现在更说不清，至少持这种观点的人手里的证据远远没有第二定律的证据多。

5. 至于负熵基本上不值一驳，负熵只能在某个局域出现，负熵不可能由系统产生，只能从外界流入，这个过程本身仍是不可逆过程，有负熵流入的系统和环境的总熵依然增加。并且与没有负熵系统的情形相比总熵增加更快。如果热寂说成立的话，只能加速热寂的到来。

如果要证明系统与环境的总熵必然增加这一论断不正确，就是要证明系统与环境的总和不是一个孤立系统。要么是证明这个系统之外的确存在一定不可能被环境所包括的东西，要么就要证明宇宙是无限的，无论环境取多大宇宙都会比它更大。如前所述这两点目前都无法证明。

最后再强调一下，以上仅是对证伪不可能性的探讨，并不意味着一定支持热寂说，这个假说是否成立只能靠时间来检验（假定那时人类尚未灭亡的话）。

另外有个有趣的现象是：热力学第二定律尤其是热寂说一直以来饱受争议的同时，热力学第一定律却很少被争议。其实能量守恒的前提也是宇宙是孤立系统(我们说能量的总量不变的时候，这个“总”究竟代表什么？），说它不是孤立系统的人同样要回答宇宙之外还存在什么可以与我们所考虑的宇宙能量交换的东西。我的粗浅理解是，比起第一定律，第二定律太严酷了，它的“真理"性打碎了人们种种梦想，非但如此如果终将热寂，人在宇宙中到底是何地位？这么一条“灭绝人性”的定律不推翻它，心不甘啊。

回答3：

一个封闭系统熵是单向增加的。可是宇宙是个封闭系统吗？如果宇宙能得到某些input，它的熵还是会不断增加吗？而且“热死论”忽视了宇宙中绝对主要的力量－－引力的存在，没有引力和有引力的热力学是完全不同的。假入你给没有引力作用的一团气体分子热量，毫无疑问气体会被加热，温度升高；如果这团气体被引力束缚在一起，你给它们加热，如果不考虑它们的辐射，它们会飞地更快，结果是势能增大，动能降低，变得更冷！
当然对宇宙的未来现在尚无定论。有理论认为，在所有的恒星全部燃烧殆尽后，宇宙进入黑暗时代，然后在宇宙中游走的黑洞们相互吞并，势力越来越大，最后可能会使所有的物质统统纳入其势力范围，然后在难以想象的时间后（10^100年）这个大黑洞通过量子效应消失了；有的理论认为宇宙最后讲经历一场大踏缩，所有的物质最后都落入原点，然后再来一次big bang；有的理论甚至认为会发生大撕裂：根据现在的观测，宇宙中暗能量密度随着宇宙膨胀并没有降低，甚至可能在升高，那么在很久以后，宇宙中的暗能量会如此之多，空间的膨胀克服了星系见的引力，甚至最后能克服电磁里和核力，让原子和原子核都分崩离析...

回答4：

我也表达一下我的看法：
关于热寂说，主要还是建立在世界为封闭系统的假定之下。
与热寂说相对应的有普里高津创立的自组织理论，当然在非线性领域还有一个著名的例子就是FPU回流（一组非线性振子没有想象中的能量均分，而是有回归现象）。这些都证实了开放系可以由无序走向有序。
批判热寂说只是批判它的悲观色彩。就人类生存的时间和空间的维度来看，我们实实在在是生活在开放的系统中。如地球每时每刻在接受着太阳的辐射，而太阳系同样也是开放系。
所以整体说来现在的研究集中于如何从混沌走向有序，包括非线性及耗散系统中pattern的形成，孤立子的激发，自锁现象，乃至生命如何形成。

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