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在自然界中普遍存在的这种不可逆转的机械能的耗散趋向

时间:2018-12-13 12:38 来源:未知 作者:admin

  然而,恩格斯现实上看到宇宙“热寂说”疑问的极其复杂性,认为仅仅依托活动的数量是无限的(即不成穷尽的)如许一个一般的哲学命题,对处理这个问题是没有什么协助的。因此,“只要指出了辐射到宇宙空间的热如何变得能够从头操纵,才能最终处理这个问题”,并由此提出了如下的假说,“放射到太空中去的热必然有可能通过某种路子(指明这一路子,将是当前天然科学的课题)改变为另一种活动形式,在这种活动形式中,它可以或许从头集结和勾当起来。因而,障碍已死的太阳从头转化为火热的星云的次要坚苦便消逝承。”

  熵增道理涉及温度、熵等物理概念。而温度是大量微观粒子热活动的全体表示,与这些粒子活动的平均动能相关,具有统计意义。明显,统计纪律只能在大量粒子构成的系统中阐扬感化,因而,热力学第二定律不合用于由少数原子或分子构成的系统。

  现实上,若是细心调查一下相关“热寂说”的汗青文献,我们就会发觉以上说法有误,至多是不精确的。

  这就是大爆炸理论为人类预言的宇宙将来和世界末日。因为这一理论也不合人们的期望,因此当它提出之日起同样也遭到了来自各方面的否决,并认为它是一个“倒了头”的宇宙“热寂说”。然而,天然纪律终究不以人的意志为转移,人类必需准确看待,最好的心态是,“我们决不克不及轻忽物之有生亦必有死的现实,灭亡大概恰是为创生不得不付出的价格”。

  1929年,美国天文学家爱德文·哈勃(Edwin Powell Hubble)在研究了前人丈量的星系距离材料后发觉,远星系光谱线的颜色要比近星系的稍红一些。哈勃细心丈量了这种红化,发觉它呈系统性变化。并且,星系愈远,光谱线红移愈大。在进一步测定了很多星系光谱中特征谱线的位置后,哈勃证明了这个效应,并指出红移现象的发生是因为星系在退行而使光波变长的成果。由此,他总结出了出名的哈勃定律:星系退行的速度与距离成反比。从哈勃定律人们会很天然地得出宇宙在膨胀的推论。这个严重发觉奠基了现代宇宙学——大爆炸理论的根本。

  所谓“耗散布局”是指一种远离均衡态的有序布局。按照热力学第二定律,系统处在热均衡态就是有最大的紊乱度,此时熵值达到最高,系统即呈现所谓“热寂”。而有序布局的呈现即意味着熵的降低,系统便可“起死回生”。这明显与热力学第二定律相悖。如生命的发生和物种的进化等,都是从初级到高级、从无序到有序的变化,是一个熵不竭降低的过程。耗散布局理论处理了这个问题。它认为环节在于系统必需是开放的,并且系统内有序布局的发生要靠外界不竭供给能量和物质以及负熵流。

  从发生过程来看,熵增道理是在对热机效率的研究和尝试现实的根本上得出的,但跟着人们对客观世界认识的深化,熵增道理的合用范畴也会跟着逐步拓宽。然而,这种拓宽不是随心所欲的,必需用足够的现实和理论按照加以支撑,不然便会失之毫厘,谬以千里。下面就对熵增道理的合用范畴做出总结。

  于是,人类终究从百年梦魇中醒来,宇宙热寂说迸发出热情的喝彩,“宇宙不单不会死,反而会从晚期的热寂形态(热均衡态)下朝气蓬勃地苏醒”,“热寂说的一页,已被翻过去了”!

  从文献上看,第二个提出“热寂说”的人才是克劳修斯。他于1865年4月24日在苏黎世天然科学家结合会上作了一篇题为《关于热动力理论次要方程各类使用的便利形式》的演讲,该文同年颁发于德国《物理和化学年鉴》。克劳修斯在这篇文章中第一次引进了“熵”的概念,证了然熵在绝热过程中的添加,并将热力学定律表述为“宇宙的能量连结不变,宇宙的熵趋于极大值”如许两个宇宙的根基定律。他指出,当宇宙中的一切形态改变都向着一个标的目的时,全宇宙必然要不竭地趋近于一个极限形态。现实上,这里所说的“极限”形态就是指“宇宙热寂形态”。

  恩格斯指出,“热寂说”因为断言宇宙中的一切活动都将最初转化为热,因此违反了辩证唯物主义的根基道理——活动不灭道理(它所对应的科学定律是能量守恒和转化定律,即热力学第必然律),“克劳修斯的第二道理等等,无论以什么形式提出来,都不过乎是说:能消逝了,若是不是在量上,那也是在质上消逝了。熵不成能用天然的方式覆灭,但能够缔造出来。宇宙钟必需上紧发条,然后才走动起来,一中转到均衡形态,而要使它从均衡形态再走动起来,那只要奇观才行。上紧发条时所花费的能消逝了,至多是在质上消逝了,并且只要靠外来的鞭策才能恢复”。在这个阐发的根本上,恩格斯联系科学史指出,“作为冷却的起点的最后的火热形态天然就绝对无法注释,以至无法理解,因而,就必需设想有天主具有了。牛顿的第一鞭策就变成了第一火热”。恩格斯认为,这是汗青的又一次重演,克劳修斯就如许像牛顿一样从形而上学滑向了唯心主义。

  熵增道理(热力学第二定律) 的严酷表述该当是:当热力学系统从一个均衡态颠末绝热过程到另一均衡态,它的熵永不削减。若是不追求严酷性,熵增道理也只能在衡态无效。

  克劳修斯正式提出“热寂说”则是在1867年9月23日。现实上,克劳修斯在追述本人的思惟时曾指出,他早在19世纪50年代初就曾经有“能量退降”、“宇宙热寂”的思惟了,只是他考虑到这个结论与其时很风行的关于热的概念有很大偏离而没有拿出来。

  通过上面的总结能够发觉,从熵增道理到热寂说的推理具有很多不严酷的处所,恰是因为这些不严酷以致我们无法明白地判断热寂说能否成立。也就是说,虽然不克不及推翻“热寂说”,但其本身的推理也不足以令人信服。

  何况,今天的科学还不克不及证明宇宙能否无限。宇宙热寂说因而,这种说法并不克不及驳斥“热寂说”。另一方面,认为从孤立系中得出的第二定律不克不及推广到无限宇宙去的论证,从逻辑上看也是不严密的。小范畴内的天然纪律外推到大范畴在逻辑上并不必然错误,科学史上就有大量如许外推的先例,如绝对零度概念、热力学第必然律以及模子方式等。既然能把热力学第必然律作为证明辩证唯物主义关于世界遍及联系的底子纪律推广到整个宇宙,那么又为什么不克不及将第二定律作同样的推广呢?现实上,热力学第必然律也没有在无限的前提下做过尝试。必需认可,任何实践勾当都是在无限的范畴内取得的,把由此得出的结论外推不成是经常的,并且是必需的,以至在处置复杂对象时是最无效的方式。因而,这种说法从逻辑上看也是不克不及驳斥“热寂说”的。也有人认为,外推第二定律之所以遭到如斯之多的非难,起首是由于人们认为它否认了马克思主义关于成长的辩证法,其次是由于它本身“不合但愿”性,是一条带有灰心色彩的定律,人们客观上但愿它最好遭到某种“限制”。这种说法有点雷同于莫诺的概念。

  “热寂说”是热力学第二定律宇宙学推论,这一推论能否准确,惹起了科学界和哲学界一百多年持续不竭的辩论。因为涉及到宇宙将来、人类命运等严重问题,因此它所波及和影响的范畴曾经远远超出了科学界和哲学界,成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。热寂说操纵热力学第二定律中的“熵添加道理”,将整个宇宙当成一个孤立系统,认为宇宙的熵会趋势极大,最终达到热均衡形态,即宇宙每个处所的温度都相等。

  十年后,即1862年,开尔文颁发《关于太阳热的可能寿命的汗青调查》一文,该文曾被收入1902年出书的《科普讲演与致辞》一书。惹人瞩目的是,在这篇文章两头,开尔文在“活动遏制和整个物质宇宙的势能竭尽”这句话旁边加了一条附注:“见1852年4月19日爱丁堡皇家学会会议录”上他颁发的“《论天然界中机械能闲逸的遍及趋向》一文”。这是开尔文提出“热寂说”的一条主要证据(当然,这一证据并不克不及解除开尔文与克劳修斯抢夺提出“热寂说”优先权的可能性)。另一条主要证据则是赫尔姆霍兹(H.Helmholtz)在1854年颁发的《论天然力的彼此关系》一文。在该文中,赫尔姆霍兹指出,我们必需钦佩汤姆逊的伶俐才智,他在一篇持久为人熟知的文章中,独一地说热、物体的体积和压力可以或许识别出要挟宇宙的后果,虽然那必定会发生在无限时间之后,会永久灭亡。虽然目前还不克不及最终必定赫尔姆霍兹所提到的原文便是《论天然界中机械能闲逸的遍及趋向》,但最少据此能够初步判断开尔文在1854年之前就曾经提出了宇宙“热寂”问题。

  恩格斯以唯物辩证法的概念进一步指出,活动不灭的道理该当从量的不灭和质的不灭两方面来理解,只要如许活动才永久不会丧失其改变为它本身所能达到的各类分歧活动形式的能力。因而,“现代天然科学必需从哲学那里采纳活动不灭的道理;它没有这个道理就不克不及继续具有”。

  继恩格斯后,彭加勒(J.Poincaré)从科学方式论的角度对“热寂说”提出了锋利的攻讦。1890年,彭加勒在《力学道理》一书中指出,任何力学模子只能局限在无限的系统内活动。在这个封锁的系统中,活动从有序起头,颠末无序形态,最初必然再回到有序形态即初始形态。因而,与系统组态相联系的既定熵值,为了能回到初始形态就必然要削减。彭加勒认为,“热寂说”的呈现是因为它的提出者们采用了其时风行的力学模子法形成的。因而,应在方式论长进行变化,要么认可热力学过程能回到初始形态,要么将热力学模子底子丢弃。

  耗散布局理论提出不久,一些人即将其推广到整个宇宙,认为宇宙是一个无限成长的开放系统,它远离均衡态。因为它不竭吸收负熵流,因此在宇宙的一些区域内,熵不单没有添加反而有削减的趋向。因而宇宙不成能变成完全无序的“热寂”形态。《纽约时报》曾于1980年颁发特稿,传播鼓吹普里高津的耗散布局理论协助人类处理了一项科学上最扰人的貌同实异的问题。

  另一种概念则间接否定宇宙是一个“孤立系”。现实上,这两种概念本身是彼此联系关系的,都事后设定了宇宙是一个“无限的”“非孤立系”的前提。而且几回再三诡计证明,宇宙是漫无边际的物质,各个部门都是彼此联系的,宇宙之外还有宇宙,因此不具有孤立部门。何祚庥认为,这些论证都不克不及证明人们永久不克不及把无限宇宙看成一个同一全体来把握。

  毫无疑问,“热寂说”是热力学第二定律的提出者提出的。热力学第二定律的提出者有两人,一位是英国的开尔文勋爵(Lord Kelvin)(即威廉·汤姆逊,W.Thomson),另一位是德国的克劳修斯(R.Clausius)。那么,谁是“热寂说”的提出者呢?国内学术界大大都人都认为,“热寂说”的提出者是克劳修斯。持此说的人一般都以恩格斯《天然辩证法》中频频提到的“克劳修斯的第二道理”的说法作为按照。别的一条按照则是,“熵”的概念是由克劳修斯提出来的,而“热寂说”是反映宇宙中熵不竭增大的一种极限形态,所以“热寂说”是由克劳修斯提出的。

  大爆炸宇宙理论获得了三个强无力的间接证据的支撑,即哈勃红移、氦元素品貌和3K微波布景辐射。

  支撑大爆炸理论的第三个证据是3K微波布景辐射的发觉。大爆炸理论预言,此刻的宇宙中该当具有着一种来自宇宙晚期的平均的、各向同性的微波布景辐射,它是宇宙晚期的遗址,频谱该当合适普朗克黑体辐射公式,温度约为3K。这一预言在1965年被射电文学家彭齐亚斯(A.Penzias)和威尔逊(R.Wilson)在宇宙观测中证明,此后亦为浩繁科学家进一步证明。这一成果表白,宇宙晚期曾一度处于均衡态,处处都有不异的温度,并且物质分布也是相当平均的。大爆炸之后,宇宙才逐步偏离热均衡态。

  从以上能够看出,“热寂说”的思惟发生于19世纪50年代初,几乎是陪伴热力学第二定律的发生而发生的,开尔文和克劳修斯都进行过相关思虑。然而最先提出热寂说的该当是开尔文而非克劳修斯。这一点,其实克劳修斯本人也是这么看的,他在1865年作的《关于热动力理论次要方程各类使用的便利形式》的演讲中就曾明白指出,“这个定律在宇宙中的使用,已得出一个结论,那是W.汤姆逊起首得出的,因而我才颁发我所说的论文”。

  明显,恩格斯在这里明白指出了该当用哲学上的活动不灭道理和将来天然科学的成长来处理散失到太空中的热变成了什么这个问题,强调了哲学与科学的连系,既必定了哲学的指点感化,又否认了哲学的取代感化。

  虽然麦克斯韦既没有实现也没有提出任何现实的尝试来查验他的假说,但这个“热力学第二定律的粉碎者”却搅扰了科学界一百多年,成为科学家诘难热力学第二定律并进而否决“热寂说”的出名设想尝试。与麦克斯韦佯谬相关的还有后来洛歇密(Loschmid)提出的“可逆佯谬”和赛密罗(E.Zermelo)提出的“再呈现佯谬”等都对单向不成逆性和热力学第二定律提出了挑战,现实上也是对“热寂说”提出了挑战。

  那么,谜底在哪里呢?科学解和哲学解,谁更实在、谁更合适人类的希望呢?现实上,一个多世纪以来,各类哲学家数无休无止的辩论亦无助于这一问题的最终处理。然而,科学仍然对峙走本人的道路。虽然人们认可哲学能给人以开导和供给思虑的标的目的,但宇宙的将来只能依赖于科学本身的成长,任何超科学的回覆城市把问题引向认识论的误区和邪路。俄国物理学家诺维科夫(I.Novikov)说了一句语重心长的话,“今天如许的辩论已成为过去,宇宙热寂说是科学来确定世界真正布局的时候了”。

  由此能够看出,开尔文即便在1852年没有明白提出“热寂说”,至多也是提出了“热寂”思惟的。

  因为“热寂说”涉及到宇宙将来和人类命运等严重问题,因此也惹起了哲学特别是马克思主义哲学的深刻关心。一百多年来,弗里德里希·恩格斯对“热寂说”的批判发生了深远的影响。在注释恩格斯否决热力学第二定律和“热寂说”的缘由时,法国生物学家、哲学家莫诺(J.Monod)已经指出,“恩格斯由于看到热力学第二定律将危及人类以及人类的思维勾当是宇宙演化的必然产品这一带有必然性的纪律,所以他感应非否决它和否认它不成。在《天然辩证法》的导言中,他就是这么说的;并且他还间接从这个命题转到了热情弥漫的宇宙论预言,预示着若是不是此刻的人类,无论若何也有思维能力的精力将永久地频频地再现”。

  在大量出现的引见大爆炸理论的文献中,出格令人注目的是,1994年10月,《科学美国人》杂志以“宇宙中的生命”为主题盛大推出了一期专刊,此中刊登了四位出名科学家的综述,全面引见了现代天体物理学界关于宇宙发源与演化问题的研究功效——大爆炸宇宙模子。该理论认为,宇宙大约是在100~200亿年以前,从高温高密的物质与能量的“大爆炸”而构成。跟着宇宙的不竭膨胀,此中的温度不竭降低,物质密度也不竭减小,逐步衍生成浩繁的星系、星体、行星等,直至呈现生命。宇宙大爆炸理论是20世纪科学研究的严重成绩,是基于几十年的立异尝试与理论研究的成果。因此获得了科学界的公认,并成为现代宇宙学的尺度模子。

  恩格斯的这些论断现实上是辩证唯物主义思惟在天然科学范畴的间接使用,然而却引来了不少否决。最出名的莫过于莫诺的非难。他将唯物辩证法斥之为“万物有灵论的设想”的“翻版”,并说,“这种注释同科学不只是风马不接,并且是底子不相容的。虽然如斯,那些用了连篇废话大讲其‘空头理论’的辩证唯物主义者,仍是经常诡计用他们的设法来指点尝试科学的成长。恩格斯本人虽然很熟悉他阿谁时代的科学,却以辩证法的表面拒绝了其时的两大发觉:热力学第二定律和天然选择学说(虽然他很钦佩达尔文)”。

  1852年4月19日,开尔文在《爱丁堡皇家学会议事录》上颁发的《论天然界中机械能闲逸的遍及趋向》一文指出:“在现今,在物质世界中进行着使机械能散失的遍及趋向……在将要到来的一个无限期间内,除非采纳或将采纳某些目宿世界上已知的并正在遵照的纪律所不克不及接管的办法,不然地球必将起头不适合人类像目前如许栖身下去”。在这篇论文中,开尔文初次指出,从卡诺定理能够得出一个较着的成果,即当热从热的物体传到比力冷的物体时,就具有着机械能不成能完全恢复的耗散现象。在天然界中遍及具有的这种不成逆转的机械能的耗散趋势,必然形成宇宙中热量的不竭添加。其间接后果是,地球必将“不适合人类像目前如许栖身下去”。明显,开尔文在这里对宇宙热寂的思惟作了充实的暗示。

  然而,人类的喝彩似乎来得早了一点。虽然热力学意义上的宇宙“热寂”形态永久不会到来,但宇宙的命运却不会因而而变得愈加令人乐观。宇宙的结局完全取决于它的初始前提,宇宙的创生与终结一直慎密相连。大爆炸理论发觉了宇宙发源的本相,同时也预言了它遥远的将来。

  在大爆炸理论中有一个极其主要的参量Ω=ρ[,0]/ρ[,c],此中ρ[,c]是与哈勃常数亲近相关的一种宇宙临界密度,ρ[,0]是此刻的宇宙密度。若ρ[,0]ρ[,c],即Ω1,表白宇宙是膨胀的,而且不断膨胀下去;若ρ[,0]ρ[,c],即Ω1,暗示宇宙开初膨胀,达到必然时辰后,就将转化为收缩。若ρ[,0]=ρ[,c],则宇宙处于两者之间的临界形态。因为大大都人认可的观测成果是Ω1,因而宇宙不断永久膨胀下去成为最可能的一种形态。假使如斯,将来所有恒星上的热核反映都将逐步遏制,留下的将是各类各样的宇宙“熔渣”——黑矮星中子星黑洞,而宇宙的布景辐射温度将不竭下降,以致于无限地趋近于绝对零度,最终达到另一种意义上的“冷寂”。宇宙另一种可能的形态是,当膨胀达到最高点,布景辐射的温度降到最低,此时宇宙起头收缩,温度又从头上升。当宇宙不竭收缩至愈来愈接近它的最初阶段时,情况前提同大爆炸后不久起安排感化的那些前提越来越类似,宇宙又从头回四处于“热寂”形态的根基粒子“羹汤”形态。这现实上是一个反演过程。在宇宙暴缩的最初时辰,引力成为占绝对劣势的感化,所有的物质都将因挤压而不复具有,包罗时空本身在内的一切无形的工具通盘将被覆灭,只剩下一个时空奇点。无论宇宙最初呈现哪一种形态,其成果对人类来说都将是没顶之灾。

  在攻讦“热寂说”的各类概念中,有两种概念影响最大,也最遍及。一种概念认为,热力学第二定律是从无限世界得来的,因此不克不及使用到无限的宇宙上。如丹皮尔(W.Dampier)在其《科学史及其与哲学和宗教的关系》一书中就认为,“把热力学道理使用于宇宙理论,其无效性是可疑的。把从如许无限的例证中推出来的成果,使用到宇宙上去,是没有事理的,即令过去操纵这些成果去预言无限的独立的或等温系统的环境很有成效”。

  在“热寂说”提出后的数十年中,对其形成最大挑战的科学假说波尔兹曼(L.Boltzmann)的“涨落说”。波尔兹曼在对气体分子活动的研究中,最先对熵添加进行了统计注释。按照这种注释,热均衡态附近总具有着偶尔的“涨落”现象,这种涨落现象并不服从热力学第二定律。由此,波尔兹曼将气体分子活动论的概念推广到宇宙中,认为整个宇宙能够当作雷同在气体形态的分子集团,环绕着整个宇宙的均衡形态则具有着庞大的“涨落”。即便在与整个广延的宇宙比拟极其细微的恒星系和银河系中,在短期间内也具有着这种相对的热均衡附近的“涨落”。按照这种假说,宇宙就必然会由均衡态前往到不均衡态。在这个区域,熵不单没有添加,并且是在削减。因而,宇宙也就不成能发生“热寂”。

  可是,开尔文列传的作者舍林(H.Sharlin)则认为,开尔文提出“热寂说”的时间应从1862年算起,由于他是在《关于太阳热的可能寿命的汗青调查》这篇论文中才提出了“一个不成避免的宇宙静止和灭亡形态”。开尔文原文如下:“热力学第二个伟大定律孕含着天然的某种不成逆感化道理,这个道理表白虽然机械能不成灭,却会有一种遍及的耗散趋势,这种耗散在物质的宇宙中会形成热量逐步添加和扩散,以及势的干涸。若是宇宙无限并从命现有的定律,那么成果将不成避免地呈现宇宙静止和灭亡形态。可是,对宇宙中的物质广延设想一个边界是不成能的……”在这里,开尔文十分明白地提出了宇宙“热寂说”。但必需留意的是,从这段话能够清晰地看出,开尔文提出“热寂说”时是十分隆重的,他做了一个根基假设——宇宙是无限的,在这个无限的系统里,热力学第二定律是准确的,宇宙才会不成避免地呈现热寂形态。可是他又认为,把物质广延的宇宙当作是一个无限的系统是不成能的。因而,在开尔文的心中,他现实上并不克不及必定热力学第二定律能否能够推广到他并不真正领会的整个宇宙,并由此得出宇宙“热寂说”的推论。

  此外,中国和苏联也对“热寂说”进行过大规模的批判。因为这些辩论根基上都是认识形态之争,并且这恰是笔者别的一篇文章要会商的问题,故本文不做进一步阐述。

  那么,能否就此认为应对恩格斯关于“热寂说”的阐述进行从头评价呢?这一问题超出了本文会商的范畴,笔者将别的著文进行阐述。

  波尔兹曼的“涨落说”曾普遍传播,很多人都把它作为否决“热寂说”的新发觉。但天文学观测表白,至今没有任何有说服力的证据证明此刻的宇宙是处在热均衡态并具有着上下“涨落”。因为缺乏现实根据,“涨落说”并没有真正从科学上处理宇宙“热寂”的问题。并且从逻辑上看,波尔兹曼的“涨落说”现实上是把宇宙“热寂”曾经放在他的前提中了。由于他起首认可“涨落”是在均衡态附近发生的。而对于任何“涨落”,非论它有多大,最初必然会消逝,从头回到均衡形态。虽然后来一些物理学家,如莱辛巴赫(H.Reihenbach)等成长了玻尔兹曼的思惟,把时间添加的标的目的作为熵添加的标的目的,并进一步指出了宇宙中具有着熵的涨落现象,但因为同样缺乏观测证据支撑而最终放弃。

  然而,虽然这种理论具有很广的使用范畴,但对于整个宇宙来说,因为缺乏明白的物理图像和尝试根本而不被天体物理学界所承认。

  “热寂说”提出一百多年来,无论是在科学上仍是在哲学上,各类辩论此起彼伏,无休无止。有很多附和者,也有很多否决者。他们都在废寝忘食地寻求着这一疑问的最初谜底却没有成果。哲学家伯特兰·阿瑟·威廉·罗素(Bertrand Arthur William Russell)发出如许灰心的感慨,“一切时代的结晶,一切崇奉,一切灵感,一切人类天才的光华,都必定要随太阳系的解体而扑灭。人类全数成绩的神殿将不成避免地会被安葬在解体宇宙的废墟之中--所有这一切,几乎如斯之必定,任何否认它们的哲学都毫无成功的但愿。唯有相信这些现实本相,唯有在失望面前奋不顾身,才可以或许平安地筑起魂灵的将来依靠”。即便是像节制论之父维纳(N.Wiener)如许的科学巨匠,最终也“节制”不住本人沮丧的豪情,几乎是在失望中哀叹,“我们迟早会死去,很有可能,当世界走向同一的复杂的热均衡形态,那里不再发生任何真正新的工具时,我们四周的宇宙将因为热寂而死去,什么也没有留下……”

  按照耗散布局理论,对于一个开放系统,熵的变化可分为两部门,一部门是由系统本身不成逆过程惹起的熵发生dis,另一部门则是系统与外界带来的熵流des,而整个系统的熵变:ds = dis + des。当熵流小于零而其绝对值又大于熵发生时,系统的总熵削减。此时熵增道理不成立。

  2. 系统由作无法则热活动的大量(N = 1020 以上) 粒子所构成,且系统内粒子无法则热活动之动能居主导地位。

  持久以来,对“热寂说”疑问的回覆,无论从科学上看仍是从哲学上看似乎都未能切中要害,缺乏说服力,因此几回再三迸发辩论。然而20世纪六、七十年代当前,自从“大爆炸”宇宙模子逐步获得天体物理学界公认以来,对“热寂说”疑问的会商发生了底子性的转向,这一期间成了“热寂说”辩论史上一个划时代的转机点。

  支撑大爆炸宇宙论的第二个证据是宇宙中氦元素品貌的预言和测定。大爆炸发生一秒钟当前,宇宙是由极高温的根基粒子构成的“羹汤”,这时整个宇宙处于平均的热均衡态。跟着宇宙的膨胀和降温,此中的一些粒子逐次与其余部门粒子脱耦。此时发生的核反映使中子和质子聚合在一路,构成氦核,余下的核子(没有聚合的质子)天然就构成了氢核。切确的理论计较表白,其时应有23.6%的物质质量聚合成了氦核。英国皇家格林尼治天文台对浩繁星系华夏始星云的发射光谱进行观测的成果表白,宇宙中氦的现实品貌为23.5%。这一成果与大爆炸的理论预言极为相符。

  现实上,因为其时科学成长程度的限制,“热寂说”问题既无法用新的理论做出合理的注释,也无法用观测和验证做出做后判决,无论开尔文仍是克劳修斯,也无论他们能否加上限制前提,都不克不及从科学上最终处理这个问题,这无疑就为后来的科学界与哲学界留下了一场空费时日的辩论。

  一百多年来,很多精采的科学家都为处理宇宙“热寂”这一世界性疑案呕心沥血,提出了各类宇宙模子和假说,此中有一些是没有“热寂”的模子,如托尔曼(P.Tolman)的相对论热力学中就曾经没有了“热寂”,但因为这些假说或模子具有着理论上不成降服的坚苦和缺乏宇宙观测现实的支撑,最终都没有对“热寂说”形成要挟。这种环境不断延续到20世纪六、七十年代当前已经寂静的大爆炸宇宙论再度兴起。

  另一方面,宇宙膨胀的缘由是因为引力的感化。有引力感化的热力学与无引力感化的热力学得出的结论完全分歧。在不考虑引力的典范热力学中,加热则系统升温,冷却则系统降温,热容量是正值。而在一个自引力系统中环境刚好相反,加热则系统变冷,放热则系统升温,热容量是负值。而负热容物体的具有对于热力学来说具有底子性的影响。在一个系统中,若是同时具有着正热容物体和负热容物体,那么这个系统就具有极大的不不变性。稍有扰动,均衡就会完全遭到粉碎而发生温差。只需有自引力系统具有,准绳上就不具有不变的热均衡,而宇宙间的天体或天系统统大大都恰是这种自引力系统。虽然自引力系统中熵是添加的,但因为没有热均衡,因此熵的添加是无尽头的,永久都没有极大值。[21]因而,“热均衡的具有对整个热力学是至关主要的,热均衡是热力学的起点。而对于引力起决定感化的系统,现实上不具有热力学意义上的热均衡态,而是不不变的形态”。([15],p.92)这种现象在静态宇宙模子中是不成能发生的,也是开尔文和克劳修斯等人没有猜想到的。

  起首对“热寂说”提出诘难的是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell )。1871年,他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中,设想了一个设想的具有物——“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖有极高的智能,能够追踪每个分子的行迹,并能分辨出它们各自的速度。这个设想方案如下:“我们晓得,在一个温度平均的充满空气的容器里的分子,其活动速度决不服均,然而肆意拔取的任何大量分子的平均速度几乎是完全平均的。此刻让我们假定把如许一个容器分为两部门,A和B,在分界上有一个小孔,在设想一个能见到单个分子的具有物,打开或封闭阿谁小孔,使得只要快分子从A跑向B,而慢分子从B跑向A。如许,它就在不耗损功的环境下,B的温度提高,A的温度降低,而与热力学第二定律发生了矛盾。麦克斯韦认为,只要当我们可以或许处置的只是大块的物体而无法看出或处置借以形成物体分手的分子时,热力学第二定律才是准确的,并由此提出该当对热力学第二定律的使用范畴加以限制。

  现实上,“热寂说”方才提出,恩格斯就在1869年3月21日致卡尔·马克思的信中指出,“这种理论认为,世界愈来愈冷却,宇宙中的温度愈来愈平均化,因而,最初将呈现一个一切生命都不克不及保存的时辰,整个世界将由一个围着一个转的冰冻的球体所构成。我此刻意料神父们将抓住这种理论,把它看成唯物主义的最新成绩”,用来作为“必需设想有天主具有”的论证,而这种论证明质上是与辩证唯物论各走各路的。1873年,恩格斯起头写作《天然辩证法》,在为该书预备材料的过程中,写下了很多批判“热寂说”的札记。因为一些缘由,这些言论和札记其时并没有公开辟表。50多年后,才跟着《天然辩证法》的出书而为人所知。

  假定有两类物质,一类是辐射,另一类是粒子,辐射温度Tr与粒子温度Tm纷歧样。那么,按照典范热力学,颠末一段时间当前,Tr与Tm必定不异。这是在静态空间中做出的结论。然而,假如上述空间是膨胀的,结论就完全分歧了。因为在膨胀过程中,分歧物质的温度降低的程度纷歧样,辐射温度降低较慢,粒子温度降低较快,就会形成Tr大于Tm而发生温差。这与典范热力学的结论正好相反。虽然这个温差会因为辐射与粒子之间的碰撞而消逝,以致达到热均衡,可是因为达到均衡所需的时间比宇宙膨胀所需的时间要长,因此辐射和粒子之间就永久不成能达到热均衡。此时系统的熵虽然不竭添加(这与热力学第二定律相符),但它离均衡态却越来越远。而宇宙中发生的恰是这种变化。

  当然,还具有着一些其他并非毫无科学按照的宇宙模子,也许会带给人类新的光明和但愿。人类不应当泄气。“我们的儿女也许还无数十亿年以至数万亿年的时间来对于这场最初的大搏斗。在这段时间里,生命可以或许扩展到整个宇宙……并对它加以节制,因而他们能够调整本人的位置,安排一切可能的资本来匹敌这场大危机”。

  计较表白:凡是的热力学系统中,分子无法则热活动的动能弘远于引力势能,这恰是一切自觉热过程系统的熵老是增大的缘由。而当系统内粒子(或物体) 间彼此感化势能大于粒子无法则活动动能(如原子核内)时,熵增道理就不成立了。

  20世纪60年代以来,以伊利亚·普里高津(Ilya Prigogine)为首的布鲁塞尔学派在研究非均衡态热力学统计物理学的过程中,找到了开放系统由无序形态改变为有序形态的路子,提出了耗散布局理论。这一理论曾被一些人用来否决“热寂说”。

  也有概念认为,用活动不灭道理来解救宇宙“热寂”在哲学上是“错误的”。错误的环节是混合了活动和成长两个概念。活动有两种形式,一种是成长的活动,另一种长短成长的活动。成长的活动长短轮回的和不成逆的,如生物的进化;非成长的活动则是轮回的和可逆的,如钟摆的震动。活动不灭道理只能包管宇宙将不断地活动,并不克不及包管这种活动是成长的。而“热寂”则是一种有活动而无成长的形态,它与活动不灭道理并不矛盾。所以,用活动不灭道理并不克不及推翻“热寂说”。“在热力学中,活动和成长二者的性质别离由热力学第必然律及第二定律所划定。热力学第必然律就是活动不灭道理。热力学第二定律则是关于成长标的目的的纪律。操纵第必然律并不克不及解除第二定律的热死结论。”

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  任何物理定律都仅在满足必然前提才能成立。如牛顿力学仅在宏观、低速、弱引力场(平直空间)、可积系统前提下成立。超出这个范畴将被量子力学、相对论、混沌学所代替。

  早在大爆炸宇宙理论为科学界公认之前,一些学者即准确地指了然处理宇宙热寂疑问的标的目的,环节在于应从宇宙中能否具有热均衡态这一底子性问题动手。此刻,大爆炸理论间接证了然宇宙在膨胀,而宇宙在膨胀则是热力学和宇宙学相容的环节,那么在一个膨胀的宇宙中能否具有着热均衡态呢?

  值得留意的是,开尔文和克劳修斯提出“热寂说”时是有所分歧的,前者明白认为把热力学第二定律推广到宇宙是有前提限制的,也就是假设宇宙是一个“无限”的系统;后者并没有做如许一种限制,而是毫无前提地推广到了整个宇宙。在对“热寂说”的提出者进行客观评价时,这种区别是要出格当真看待的。不外,阎康年认为,克劳修斯把熵增道理推广到整个宇宙是出于数学上的考虑--他曾在1865年的《关于热动力理论次要方程各类使用的便利形式》论文中提到过这一点,只不外是在1867年的那篇出名演讲中“成心或无意地轻忽或回避了在两年前提出的前提前提”。因为这一问题超出了本文会商的范畴,在此不做赘述。

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