热寂说的终极批判

关于热寂说的终极批判郭茂森物理学院光信息科学与技术6班摘要：作者总结了几种关于热寂说的批判，并指明了其批判的不合理性。

在成熟的宇宙学基础上一针见血的否定了热寂说。

Clausius 把热力学第二定律推广到整个宇宙本身是正确的，但是宇宙并没有熵极大值，因为他没有考虑到宇宙粒子退耦。

在此基础上，作者根据宇宙大爆炸理论敏锐的提出了具有开创性的观点——宇宙熵守恒。

关键词：热寂说熵宇宙Clausius 在1850年总结了热力学第一定律和第二定律。

其中热力学第一定律数学表示形式为ΔU=W+Q ，热力学第二定律数学表示形式为⎰=ba ab T Q d S -S 。

Clausius 把热力学两大定律外推到宇宙，提出“宇宙总能量守恒，宇宙的熵趋于极大最终永久出于死寂状态”观点。

在当时，前者被人们普遍接受，后者引起不少人质疑。

此后，宇宙是否“热寂”始终困扰着人们，各种批判“热寂”的理论应运而生。

但是，这些观点都没有触及到宇宙的根本，故说服力都不是很强。

现回顾一下前人的观点。

1.麦克斯韦妖Maxwell 假想了一种具有极高的智慧，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度的妖（怪）称为麦克斯韦妖。

该“类人妖”有特殊的能量控制机制以与熵增加相拮抗，从而热力学第二定律不再成立。

现简单描述如下：绝热容器里面充满理想气体，并且达到热平衡。

中间有一隔板，分子无规则运动碰撞隔板，小妖在隔板上精确控制隔板上的“门”，使动能大的分子通过，而动能小的分子留在另一侧，这样，其中的一侧就会比另外一侧温度高，从而违背了热力学第二定律。

其实，此过程并没有违背热力学第二定律，此妖在选择分子时必然要消耗一定的能量，所以如果把妖与气体看成一系统，在演化过程中，系统的熵还是增大的。

2.玻尔兹曼涨落说Boltzmann 从微观角度对熵增加给予统计解释。

按照这种解释，热平衡态总伴随着涨落现象，后者是不遵从热力学第二定律的。

Boltzmann 认为，在宇宙的某些局部可以偶然的出现巨大的涨落，在那里熵没有增加，甚至在减少。

由此，Boltzmann 将气体分子运动论的观点推广到宇宙中，认为整个宇宙可以看成类似在气体状态的分子集团，围绕着整个宇宙的平衡状态则存在着巨大的“涨落”。

考察正则系综，系统的配分函数s E -s e β∑=Zv C kT 2222ln ）E （=∂Z ∂=∆β2）-E （E = 因E 和v C 是广延量，故：NE E1∝∆ 涨落说的前提是宇宙达到了热平衡，但天文学观测表明，至今没有任何有说服力的证据证明现在的宇宙是处在热平衡态并存在着上下“涨落”。

其次由于宇宙N 很大，涨落显影完全可以忽略，局部涨落引起的瞬时熵减小并不能打破系统服从热力学第二定律的整体模式。

由于缺乏事实依据，“涨落说”并没有真正从科学上解决宇宙“热寂”的问题。

3.普利高津自组织现象20世纪70年代，Prigogine 等提出自组织现象理论，并将热力学第二定律的适用范围推广到开放系统，修改为dS =21dS dS +。

其中dS 为系统的熵变，dS 1为系统内不可逆过程长生的熵变，2dS 为系统与外界交换物质能量引起的熵变。

自然界存在大量从无序到有序的现象——自组织现现象，比如生物界这一开放系统，0dS 2<并且12dS dS >，那么系统的熵变0dS <，所以生物由低级到高级的进化，物种越来越复杂。

所以说，趋于无序并不是宇宙间的普遍规律，宇宙间还存在趋于有序的发展过程。

故，我们不能把热力学第二定律推广到整个宇宙。

其实，由自组织现象便得出宇宙并不是熵增的结论很不严谨。

发生自组织现的系统必定不是孤立系统，把参与交换的物质和能量包括起来组成一个大系统，如果这个大系统是孤立的，那么总熵必定不可能减小。

但是宇宙是不是孤立系统呢？现在我们知道宇宙起源于大爆炸，那么称宇宙是孤立系统似乎更合理。

所以从这个意义来说，由自组织现现象来解释宇宙热寂不太令人满意。

4.其它观点有人认为热力学第二定律是有限宏观系统中由经验规律得出的结论，不能外推广到整个宇宙。

那么同样在有限宏观系统得出的质量守恒，能量守恒定律可以推广到宇宙，为什么热力学第二定律不可以？此观点说服力不强。

Engels 在《自然辩证法》中指出，“热寂说”由于断言宇宙中的一切运动都将最后转化为热，因而违反了辩证唯物主义的基本原理——运动不灭原理。

因此他做出如下假说：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来”。

恩格斯的这些论断实际上是辩证唯物主义思想在自然科学领域的直接应用，但是科学毕竟不是哲学，用哲学的角度来批判热寂说不能使科学家信服。

以上观点都不能彻底驳倒热寂说。

因为上述观点都没有涉及一个重要的事实：宇宙是一个长程力自引力体系，并且是不断膨胀的。

5.合理解释(一)宇宙是长程力自引力体系对于气体，分子之间作用力很小，热运动占主要优势，由于碰撞，分子之间趋于发散，忽略涨落现象，可认为过程的方向是由非平衡到平衡，继而该系统熵达到极大值并永久处于平衡态。

图二为一平衡孤立复合系统，考察系统内一小部分称为系统，其热力学参数为T ，P ，N ，将其系统外部看做系统的热浴。

S,U,V 都是广延量，与N 成正比；其一阶偏导数是强度量，与N 无关；二阶偏导数22222S 、V U S 、U S V∂∂∂∂∂∂∂与N 成反比。

由于N 0>>N ，故当系统发生扰动V 、U δδ时，S 202S δδ<<。

因此可以忽略02S δ。

如果复合系统S 2δ0< 0，则熵函数具有极大值。

所以，0S S S S 202202<≈+=δδδδ泰勒展开得，0}))((2))({(S 222222222<∂∂+∂∂∂+=V V S V U V U S U U S δδδδδδδ 利用热力学基本关系通过变换将上式化为：＜０）V （）V p （T 1）T （TC -S 2T 22v 2δδδ∂∂+= 所以，C v ＞ 0是平衡的稳定性条件。

对于气体C v ＞ 0,故平衡态是稳定的。

但是对于整个自引力体系的宇宙，引力是主导。

简化模型，考虑一行星围绕一大质量恒星转动而且恒星质量远大于行星，行星的总能量p k E E E +==rm M G -mv 212∙。

由牛顿定律得：r v m r m M G 22∙=∙。

联立得:2r m M -G E ∙=。

可以看出如果行星能量增加，那么r 增大，动能减小，温度降低。

所以，对于自引力体系系统C v ﹤0，不存在稳定的平衡态，故而不能把通常的热力学第二定律用于其上。

如果自引力系统起始处于热平衡状态，由于系统的涨落，子系统A 的能量减少，B 的能量增加，因为热容是负值，A 温度升高，B 温度降低，产生温度差。

从而形成正反馈，AB 温差越来越大，系统距离平衡态越来越远。

但熵在正反馈过程中增大还是减小呢？从能量转化角度理解：在这个变化过程中，系统由于万有引力作用趋向收缩，系统的总势能降低，粒子动能增加，碰撞使动能转化为热能，机械能转化为热能是不可逆的，此时系统熵必然增加。

从统计角度理解：对于引力系统，分布均匀并不是最可几分布，而是符合某种力学平衡和热平衡的分布才是最可几的，比如我们把一箱子理想气体置于重力场中，系统平衡时的可几分布必然不是均匀分布，底层气体密度要大于上层气体密度，此时的熵比气体均匀分布时的熵要大。

考虑相空间，从均匀到非均匀，位形空间的分布的概率减少，但是由于温度升高，速度空间的概率增加了。

两者相抵，总概率是增加了。

由Ω=kln S系统的总熵增加了。

所以，在自引力体系的演化中，熵是增加的。

㈡．宇宙是膨胀的20世纪中期，人们提出了大爆炸宇宙理论，哈勃红移、3K 背景辐射等观测让人们更加确信现在宇宙是由奇点膨胀而来的。

宇宙不仅有物质粒子（组成实物的粒子），还有辐射粒子（光子，中微子等）。

考察辐射粒子：辐射能量密度为ρ，则，3E R ρ∝假设宇宙膨胀是绝热均匀的，由热力学第一定律得：33R dtd -P ）R （dt d =ρ（1） 辐射粒子的巨配分函数为：l l eωβεα---∏-=Ξl )1(两边取对数，积分得到：332)(45V ln βπc =Ξ 所以辐射粒子Ξ∂∂=ln -U β43342T c 15V k π=Ξ∂∂=ln V 1-P β43342T c 45k π=对比得：ρ31V U 31P ==（2） 联立（1）（2）得：33R dt d 31-dt d R R dt d ρρρ=+（3） 由（3）得：dR R4-d =ρρ，从而：4-R ∝ρ（4）由热辐射的热力学理论：V ）T （u ）V T,（U =（5）P -）Tp （T ）V U （V T ∂∂=∂∂（6） （5）（6）可得：3u -dT du 3T u =，积分可得：4aT u =（7） 对比（4）（7）得：R 1T ∝对于物质粒子绝热过程状态方程：nRT PV =（8）kT 23N U ∙=（9） 绝热系统热力学第一定律：-PdV dU =（10） 宇宙体积：3R 34V π=（11） （8）（9）（10）（11）得到2R 1T ∝由上面推导可知，在宇宙早期（R 很小），宇宙温度密度都极高，以至于粒子的动能大于质子中子的结合能，故早期宇宙没有原子的存在，犹如一锅“热汤”，各种粒子频繁碰撞，处于热平衡状态。

随着宇宙的膨胀，温度降低，粒子之间开始结团。

质子与中子结合γ+→+D n p ，电离氢结合电子成为中性氢H e p →+γ+。

反应释放的能量光子的动能等由于碰撞转化为周围气体的热能，此过程也是相互作用的能量自发转化为热能的过程，熵必然增加。

所以不论是微观结团形成分子还是引力结团形成星系都是熵增加的过程。

注意到辐射粒子和物质粒子随着宇宙膨胀温度降低不同，因而形成温度差，平衡破坏，并且越来越偏离平衡，所以宇宙永远不能达到平衡态。

宇宙的演化会趋于结构化、复杂化，越来越偏离平衡态，总熵是增加的，但没有极大值，不会死于热寂。

根本是宇宙不断膨胀的自引力体系，处理方法不同于理想气体。

㈢．终极批判热力学第二定律本质是由于分子间的频繁碰撞使系统的熵趋于极大值。

根据宇宙大爆炸理论知中微子是在宇宙年龄1s 时退耦（失去热碰撞），光子是在原子复合后退耦的。

中微子退耦早，失去了与其它粒子碰撞机会，粒子形成过程释放的能量就与中微子无关了，所以光子的温度要比中微子高。

退耦结束后，温度不会再因热碰撞而改变了。

所以，中微子与光子的温度差永远不会消除。

这也可以很好的说明宇宙在将来不会达到热平衡态。

粒子一旦退耦，热力学第二定律便不再对该粒子组成的系统起作用。

但，宇宙最终的命运是什么呢？据标准粒子标准模型理论，质子的寿命在1032年以上，当质子衰变后，恒星、行星等实物便不存在。