热寂

猜想宇宙终极命运的假说

热寂

热寂(英语:heat death[4]),是猜想宇宙终极命运的一种假说。[1]依据热力学第二定律,作为一个“孤立”的系统,宇宙的熵会随着时间的流逝而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全部转化为热能,所有物质温度达到热平衡,这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。[1]热寂理论最早由开尔文勋爵(Lord Kelvin)于1852年提出[2],克劳修斯(Rudolph Clausius)对此理论认同并进行了总结。[3]热寂的假设源于开尔文勋爵的想法,他在19世纪50年代的论文《On the Age of the Sun's Heat》中将热理论视为自然界中的机械能损失(如热力学前两定律所体现的那样),并将其外推到宇宙尺度上的更大过程,提出了热寂悖论。[6]

热寂(英语:heat death[5]),是猜想宇宙终极命运的一种假说。[2]依据热力学第二定律,作为一个“孤立”的系统,宇宙的shāng[注1]会随着时间的流逝而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全部转化为热能,所有物质温度达到热平衡,这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。[2]

热寂理论最早由开尔文勋爵[注2](Lord Kelvin)于1852年提出[3]克劳修斯(Rudolph Clausius)对此理论认同并进行了总结。[4]热寂的假设源于开尔文勋爵的想法,他在19世纪50年代的论文《On the Age of the Sun's Heat》中将热理论视为自然界中的机械能损失(如热力学前两定律所体现的那样),并将其外推到宇宙尺度上的更大过程,提出了热寂悖论。[7]

“热寂说"是否正确,引起了科学界和哲学界的理论纷争,[3][8]也对19世纪的文化产生了影响。[9]

“大爆炸"宇宙模型的提出和对引力作用的研究,或可作为“热寂说"不成立的证据。[3][10]

起源

最早提出热寂说的是开尔文勋爵(Lord Kelvin)(即威廉·汤姆森,W.Thomson)。[4][3]热寂说,也译作“热死论”,[1]宇宙中的所有天体都会冷却,最终变得太冷而无法支持生命的猜想,可能是由法国天文学家让·西尔万·巴伊(Jean Sylvain Bailly)在1777年的天文学史著作中以及随后与伏尔泰的通信中首次提出的。在巴伊看来,所有的行星都有内部热量,正处于某种特定的冷却阶段。例如,木星太热,几千年来都不可能有生命出现,而月球已经冷却了。在这个观点中,最终状态被描述为“平衡”状态,在此状态下,所有运动都停止了。[11]他对萨迪·卡诺(1824),詹姆斯·焦耳(1843)和鲁道夫·克劳修斯(1850)的机械能损失观点进行了进一步的理论推导。宇宙热寂的概念源于对热力学前两个定律在宇宙过程中的应用的讨论。具体来说,在1851年,开尔文勋爵概述了这一观点,这是基于最近对热的动力学理论的实验:“热不是一种物质,而是机械作用的一种动力学形式,我们认为机械功和热之间必须有一种等价关系,就像因果关系一样。[12]

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失的一般趋势》一文中首次指出,从卡诺定理可以得出一个明显的结果,即当热从热的物体传到比较冷的物体时,就存在着机械能不可能完全恢复的耗散现象。[3][13]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,必然造成宇宙热能的不断增加。其直接后果是,地球必将“不适合人类像目前这样居住下去”。开尔文在这里对宇宙热寂的思想作了充分的暗示。[3]这篇论文中的想法,关于它们在太阳年龄和宇宙运行动力学方面的应用,吸引了威廉·兰金(William Rankine)和赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)等人。据说他们三人就这个问题交换了意见。[14]1862年,汤姆森发表了《论宇宙热的年龄》(On the age of the Sun's heat),在这篇文章中,他重申了他对能量不可毁灭的基本信念。(第一定律)和能量的普遍耗散(第二定律),导致热的扩散,有用运动的停止(工作),和耗尽势能,“失去了不可挽回的”通过物质宇宙,同时澄清了他的看法的后果,宇宙作为一个整体。[15]

汤姆森写道:如果宇宙是有限的,并服从现有的定律,那么结果将不可避免地是一种宇宙静止和死亡的状态。但要设想宇宙中物质的范围有一个限度是不可能的;因此,科学与其说是指向一个有限的机制,像时钟一样运行下去,永远停止,不如说是指向一个通过无限空间的、涉及势能转化为可见运动从而转化为热的作用的无限推进。[16]这篇文章开始,开尔文还引入了热寂悖论(开尔文悖论),它否定了无限古老宇宙的经典概念,因为宇宙还没有达到热力学平衡,因此进一步的工作和熵产生仍然是可能的。恒星和温差的存在可以被认为是宇宙并非无限古老的经验证明。在汤姆森1852年和1862年的论文之后的几年里,亥姆霍兹和兰金都将汤姆森的想法推广他的悖论,但在他的论文中,他们发表了一些观点,指出汤姆森认为宇宙将以“热寂”结束(亥姆霍兹),这将是“所有物理现象的终结”(兰金)。[14]

1865年4月24日,克劳修斯(Rudolph Clausius)于在苏黎世自然科学家联合会上作了一篇题为《关于热动力理论主要方程各种应用的方便形式》的演讲,第一次引进了“熵”的概念,证明了熵在绝热过程中的增加,并将热力学定律表述为“宇宙的能量保持不变,宇宙的熵趋于极大值"这样两个宇宙的基本定律。他指出,当宇宙中的一切状态改变都向着一个方向时,全宇宙必然要不断地趋近于一个极限状态。实际上,这里所说的“极限”状态就是指“宇宙热寂状态”。[3][1]

1867年9月23日,克劳修斯正式提出“热寂说”。他在法兰克福举行的第41次德国自然科学家和医生的集会上作了一篇题为“关于热力学第二定律”的演说,将他的宇宙基本定律总结为:(1)宇宙的能量是常数;(2)宇宙的熵趋于一个极大值。当宇宙的熵达到最大值的极限状态时,宇宙不会再出现进一步的变化,将永远处于一种死寂状态。[4][3]

值得注意的是,开尔文和克劳修斯提出“热寂说"时是有所不同的,前者明确认为把热力学第二定律推广到宇宙是有条件限制的,也就是假设宇宙是一个“有限”的体系;后者并没有做这样一种限定,而是毫无条件地推广到了整个宇宙。[3]关于宇宙最终状态的提议取决于对它最终命运的假设,这些假设在20世纪末和21世纪初有很大的变化。在一个假设的“开放”或“平坦”的宇宙中,它会无限地膨胀,预计最终会发生热寂或大撕裂。 如果宇宙常数为零,宇宙将在很长的时间尺度上接近绝对零度。然而,如果宇宙学常数是正的,温度将渐近到一个非零的正值,宇宙将接近一个最大熵的状态,在这个状态下,不能再做进一步的演化。[17][18]

开尔文勋爵(Lord Kelvin)(即威廉·汤姆森,W.Thomson)
开尔文勋爵(Lord Kelvin)(即威廉·汤姆森,W.Thomson)
克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius)
克劳修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius)

热寂时间表

根据宇宙学家的计算,宇宙热寂将经历以下这些阶段:[19]

退化时代:从1010年到1040年

宇宙加速膨胀:1010年,星系恒星停止产生:1014年。[20]寿命最长的低质量恒星将在1014年左右的时间内耗尽氢燃料,收缩成白矮星构型,并冷却到非常低的温度。质量较大的恒星需要更短的时间才能达到冷的最终状态,这可能是白矮星、中子星或黑洞构型,这取决于它们进化的细节。[19]宇宙中所有的恒星都熄灭之后,只有行星小行星、白矮星、黑矮星、中子星、黑洞等不发出可见光天体能够继续存在。偶尔,棕矮星之间的相互撞击会形成新的红矮星,这些红矮星会在宇宙中继续存在数十亿年,成为宇宙中唯一的可见光源。[19]

由于引力波和引力扰动的影响,1015年后,行星逐渐脱离它们的原始轨道。[19]

大约从1016年开始,行星和恒星以及恒星的残骸都会离开它们的原始轨道,星系开始解体,只剩下超大质量黑洞[19]基于量子力学中的一个假设——质子的半衰期是1036年,到了1036年,宇宙中的一半物质都衰变为伽马射线和轻子,到了1040年,宇宙中所有的物质都会衰变完毕,整个宇宙就只剩下了黑洞和轻子。[19]

黑洞时代:从1040年到10100年

黑洞会慢慢地蒸发,最终以霍金辐射的形式将自身的质量一点点蒸发到宇宙中。宇宙中的绝大部分物质都转变成了光子和轻子。[19]由于霍金辐射,大约1个星系质量(1011个太阳质量)的超大质量黑洞的衰变时间大约是10100年,所以熵至少可以在那个时候产生。[21]

黑暗时代:10100到10150年

所有残余的黑洞都会完全蒸发掉,宇宙中只剩下了光子和轻子。虽然所有物质基本上都变成光子了,但宇宙还是黑暗时代,因为宇宙实在太大,这一点点光子在巨大的宇宙空间中,简直不值一提,但此时离最终的完全热平衡还差很远很远。[19]

热寂时代:101000年以后

大约会在101000年以后,宇宙达到完全的热平衡,所有的光子和轻子在宇宙中均匀地分布,宇宙的熵达到了最大值,即宇宙热寂了。[19]

另一种可能的热寂时代:101500年以后

如果质子不会衰变,那么,另一个可能的结果就是大约要经过101500年,铁原子均匀分布在宇宙所有空间中。因为根据量子理论,铁的结合能是最小的,熵值是最大的。宇宙中所有原子量小于铁的原子聚变成铁原子,而所有原子量大于铁的衰变为铁原子。这也是另一种宇宙的热寂,因为最终的熵值最大。[19]

之后在很长一段时间内,会通过庞加莱复现定理[注3]、热涨落[注4]涨落定理[注5],导致自发的熵值减少。量子穿隧效应也应该将大物体变成黑洞,根据所做的假设,这种情况发生的时间可以可以在年到年间发生。量子穿隧效应也可能使铁星在大约年内tān缩成中子星[19]

科学上的争论

“热寂说"是热力学第二定律的宇宙学推论,这一推论是否正确,引起了科学界和哲学界长达一百多年的理论纷争。[3][8]由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题,因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界。[3]一百多年来,许多杰出的科学家都为解决宇宙“热寂”这一世界性疑案呕心沥血,提出了各种宇宙模型和假说,其中有一些是没有“热寂"的模型,如托尔曼(P.Tolman)的相对论热力学中就已经没有了“热寂",但由于这些假说或模型存在着理论上不可克服的困难和缺乏宇宙观测事实的支持,最终都没有对“热寂说"构成威胁。[3]

麦克斯韦妖

热寂说遇到真正的挑战是在1871年,麦克斯韦(J.Maxwell)在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中,设计了一个假想的存在物——“麦克斯韦妖”。[8][3]假设将一充满空气的容器分成两格,中间开由麦克斯韦妖把守的小门。小妖让气体中高速运动的分子从左进入右侧,而让气体中低速运动的分子从右进入左侧,这样其中一侧的温度高于另外一侧,从而自发地实现熵减,而与热力学第二定律发生了矛盾。[8][3]

于是科学家们想方设法证明麦克斯韦妖的存在,以证伪热寂说,却屡屡失败。直到1951年法国科学家布里渊(Brillouin)从信息论出发否定了麦克斯韦妖的存在。他认为麦克斯韦妖要在封闭的黑箱中识别高速分子与低速分子,就要先照亮气体分子,获得信息,这就要消耗有效能量增加环境的摘。若将光源、小妖和系统看作大系统,熵增加原理仍然成立。[8]

与麦克斯韦佯谬有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“再出现佯谬"等都对单向不可逆性和热力学第二定律提出了挑战,也就是对“热寂说"提出了挑战。[3]

玻尔兹曼

对“热寂说"构成另一挑战的科学假说是波尔兹曼(L.Boltzmann)1872年提出的“涨落说”。[3][10]波尔兹曼在对气体分子运动的研究中,最先对熵增加进行了统计解释,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。[3][10]由此,波尔兹曼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"。即使在与整个广延的宇宙相比极其渺小的恒星系和银河系中,在短时期内也存在着这种相对的热平衡附近的“涨落”。按照这种假说,宇宙就必然会由平衡态返回到不平衡态。在这个区域,熵不但没有增加,而且是在减少。因此,宇宙也就不可能产生“热寂”。[3]

这种说法有一定的吸引力,但尚缺乏事实根据。[10]后来一些物理学家,如莱辛巴赫(H.Reihenbach)等发展了玻尔兹曼的思想,把时间增加的方向作为熵增加的方向,并进一步指出了宇宙中存在着熵的涨落现象,但由于同样缺乏观测证据支持而最终放弃。[3]

耗散结构

20世纪60年代以来,以普里高津(I.Prigogine)为首的布鲁塞尔学派提出了耗散结构理论。这一理论也曾被一些人用来反对“热寂说”。[3]所谓“耗散结构”是指一种远离平衡态的有序结构,意味着熵的降低,系统可以从“热寂”状态“起死回生”。如生命的发生和物种的进化等,都是从低级到高级、从无序到有序的变化,是一个熵不断降低的过程。耗散结构理论认为关键在于系统必须是开放的,而且系统内有序结构的产生要靠外界不断供给能量和物质以及负熵流。[3]

耗散结构理论提出不久,一些人即将其推广到整个宇宙,认为宇宙是一个无限发展的开放系统,它远离平衡态。由于它不断吸取负熵流,因而在宇宙的一些区域内,熵不但没有增加反而有减少的趋势。因此宇宙不可能变成完全无序的“热寂"状态。[3]

曾广为流行的其它观点

(1)嫡增加原理只对孤立系统成立,目前没有任何根据说宇宙是这样的一个封闭的孤立系统。把在有限时空范围内得到的原理任意推广到整个宇宙是难以置信的。[25]

(2)对整个宇宙而言,既存在着从有序向无序转化的过程,即嫡增加过程,也存在着无序向有序转化的过程,即嫡减少过程。因此,耗散结构理论认为宇宙在历史的长河中,嫡只是在不断地增加的结论,是没有什么根据的。耗散结构理论认为,对于非孤立系统,嫡的变化可以形式地分为两部分。一部分是由于系统内部的不可逆过程引起的,叫做嫡产生,用dis 表示。另一部分是由于系统和外界交换能量或物质而引起的,叫做嫡流用des 表示。所以整个系统的嫡变化是ds = dis + des 一个系统的嫡产生永远不可能是负的,即总有dis ≥0,对于孤立系统,由于des =0,所以ds = dis >0,这就是嫡增加原理的表达式。[25]

但对于非孤立系,视外界的作用不同,嫡流des可正、可负。如果des<0,且ldesl > dis ,就会有ds =dis + des <0,这表示经过这样的过程,系统的嫡会减小,系统就由原来的状态进人更加有序的状态。这就是说,对于一个封闭系统或开放系统存在着由无序向有序转化的可能。为此《纽约时报》曾于1980年发表特稿,宣称普里高津的耗散理论帮助人类解决了一项科学上最扰人的似是而非的问题。然而,尽管这种理论具有很广的应用范围,但对于整个宇宙来说,由于缺乏明确的物理图象和实验基础而不被天体物理学界所认可。[25]

(3)嫡增加原理的严格表述是:“一个热力学系统从一个平衡态出发,经过绝热过程,到达另一个平衡态,它的嫡不减少。”这里很重要的一点是,体系在过程的开始和过程的终了都处在平衡态。而对于宇宙来说,在目前知识所及的历史年代里,宇宙一直处于远离平衡状态之中。因此,说历史年代中宇宙的嫡不断增加是没有根据的。[25]

哲学上的争论

由于“热寂说"涉及到宇宙未来和人类命运等重大问题,因而也引起了哲学尤其是马克思主义哲学的深刻关注。[3]

“热寂说”刚刚提出,恩格斯就于1869年3月21日写信给马克思,“既然这种理论认为现在世界上转化为其它各种能的热能的数量日益超过可以转化为热能的其它各种能的数量,那么,作为冷却的起点的最初的炽热状态自然就绝对无法解释,甚至无法理解,因此,就必须设想有上帝存在了。牛顿的第一推动力变成了第一炽热。”[9][3]1875~1876年恩格斯在《自然辩证法》中用能量守恒与转化的观点对热寂说作了分析:“运动的不灭不能仅仅从数量上去把握,而且还必须从质量上去理解”根据这一原则,他有如下的信念:“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。”[10][9]

大爆炸宇宙模型

20世纪六、七十年代以后,“大爆炸"宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认,成为“热寂说"争论史上一个重要转折点。[3]1948年,美籍俄裔物理学家伽莫夫(G.Gamow)和他的同事提出了一个“大爆炸”的宇宙理论。[25]1994年10月,《科学美国人》杂志以“宇宙中的生命”为主题推出专刊,全面介绍了大爆炸宇宙模型。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"而形成。随着宇宙的不断膨胀,其中的温度不断降低,物质密度也不断减小,逐渐衍生成众多的星系、星体、行星等,直至出现生命。[3]大爆炸宇宙理论得到了三个强有力的直接证据的支持,即哈勃红移、氦元素丰度和3K微波背景辐射。[3]

热寂说是以宇宙整体正在从非平衡趋于平衡的结论为前提的。然而近代宇宙论的研究和观测表明,宇宙起源于150亿年前“原始火球”的一次大爆炸,大爆炸之后宇宙一直在膨胀。它不是趋于平衡,而是越来越趋于不平衡。目前宇宙中发生的正是这种情况。[9]2011年诺贝尔物理学奖的研究即是通过对Ia型超新星测距发现宇宙的膨胀是加速的。该项成果揭示了暗能量的存在,动摇了宇宙学理论的根基,为人类从整体上研究宇宙提供了新视角。[26]

引力作用

另一方面,宇宙膨胀的原因是由于引力的作用。有引力作用的热力学与无引力作用的热力学得出的结论完全不同。在不考虑引力的经典热力学中,加热则体系升温,冷却则体系降温,热容量是正值。而在一个自引力体系中情况刚好相反,加热则体系变冷,放热则体系升温,热容量是负值。而负热容物体的存在对于热力学来说具有根本性的影响。在一个体系中,如果同时存在着正热容物体和负热容物体,那么这个体系就具有极大的不稳定性。稍有扰动,平衡就会彻底遭到破坏而产生温差。只要有自引力体系存在,原则上就不存在稳定的热平衡,而宇宙间的天体天体系统大多数正是这种自引力系统。尽管自引力系统中熵是增加的,但由于没有热平衡,因而熵的增加是无止境的,永远都没有极大值。[3]

因此,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。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,而是不稳定的状态。这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的,也是开尔文和克劳修斯等人没有考虑到的。[3]

最终结局未可知

总之,热寂说的要害在于未考虑宇宙的膨胀和引力效应。随着宇宙的膨胀,辐射与粒子温度下降速度的不同,即使原来温度相同的系统也会因为辐射与粒子温度下降速度不同而形成温度差,这同热力学第二定律的结论不同。此外,在宇宙系统中,引力起着重大作用,且涉及范围愈大,引力的作用就愈大。在一定范围内,会出现弥散物质的聚集现象,宇宙中的星系很可能就是这样形成的。这是与熵增加原理不同的物理过程。[25]

当然,目前一切都是假说,宇宙的最终结局尚未可知。[25]

最新研究

对于宇宙膨胀的研究,证明了宇宙热寂是不可能实现的,[25][10]因此有关宇宙膨胀的最新研究带来了进一步的证据和新的理论。[27][28]

黑洞理论和银河系中心黑洞的发现

2020年10月6日诺贝尔物理学奖颁发给为黑洞和超大质量致密天体做出突出贡献的三位科学家,英国牛津大学罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)教授,德国马普地外物理研究所莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)教授和美国加州大学洛杉矶分校安德里亚·格兹(Andrea Ghez)教授。其中,彭罗斯教授发现黑洞形成是对广义相对论的有力预测;根泽尔教授和格兹教授在银河系中心发现超大质量致密天体。[27][29]

银河系中心黑洞的发现是物理学和天文学中里程碑式的进展,它极大地激励了对超大质量黑洞的研究兴趣。首先,超大质量黑洞作为星系的一部分如何与星系之间相互作用并对星系的演化起着极为关键的作用;第二,它作为宇宙学探针,将对丈量宇宙和膨胀历史发挥关键作用,进而对探测暗能量物理性质起到重要的推动作用;第三,作为引力波探测的下一次突破,引力波源及其纳赫兹引力波的物理性质均需要GRAVITY/VLTI和反响映射独立测量双黑洞的轨道参数之后才能得到观测检验。[27]

他们分别从理论和观测上提供了令人信服的证明和证据。他们的工作打开了理解宇宙中大质量天体命运的窗口,为揭开宇宙膨胀历史、暗能量宇宙演化性质、纳赫兹低频引力波等诸多谜团提供了十分强大的工具。[27]

等离子天体物理学与现代等离子体宇宙观

大爆炸宇宙模型虽然存在许多待解之谜,但是由于受到宇宙膨胀、宇宙微波背景辐射以及宇宙元素丰度这3大观测现象的有力支持,已经成为最广泛接受的标准宇宙学模型。[28]

阿尔文甚至认为,空间等离子体测量结果向其他宇宙等离子天体的外推,将带来天文学的第3次革命。天文学的第1次革命是基于400多年前伽利略望远镜观测和牛顿引力理论相结合带来的从地心说到日心说的革命性转变,并进而确立了以牛顿万有引力理论为基础的稳恒均匀静态宇宙观。[28]

第2次革命是基于上世纪初有关天体红移现象的哈勃膨胀观测与相对论、量子论的结合带来的从静态稳恒宇宙观到动态演化宇宙观的重大转变,其核心是确立了关于宇宙奇点大爆炸后从基本粒子到结构形成的物质创生过程和宇宙膨胀演化过程的大爆炸膨胀宇宙观。[28]

而这一次革命,则是基于空间卫星实地探测和等离子天体物理学的结合,进而确立新型的等离子天体宇宙观,其中构成宇宙物质结构的基本单元是由于金斯引力不稳定性和电磁力共同作用下形成的具有各种不同尺度的等离子天体“细胞”,而行星恒星星系星系团等局部引力中心则是相应尺度上等离子天体“细胞”的“心脏”,“细胞壁”就是相应等离子天体与周围宇宙星际环境相互作用的边界层,链接“心脏”和“细胞壁”的等离子天体电流系统就是“细胞”内流动的“血脉”,那些充满局部行星际、星际和星系际、星系团际宇宙空间的等离子体及其湍动波就是相应“细胞”的“肌肉”。因此,在这个新型的等离子体宇宙观中,宇宙的结构不再是一颗颗彼此分立、能够几乎稳恒地发光的孤立星体,而是具有各种不同尺度、有血有肉、相互关联的、活动的有机“细胞”。而且,小尺度的“细胞”可以通过“血脉”的链接组成更大尺度的“细胞”,而整个可观测宇宙很可能就是一个膨胀中的大“细胞”。[28]

伴随人类空间时代的到来,由地球磁层和日球层空间等离子体实地探测研究引起的第3次天文学革命,也给天体物理学、特别是等离子天体物理学提出了一系列挑战性的重大科学问题。[28]现代天文学遇到了两个理论与观测之间难以调和的突出矛盾:“星系质量短缺”和“宇宙加速膨胀”。一种广泛流传的观点认为,除了可观测物质以外,宇宙可能还存在有大量只参与引力相互作用而不参与电磁相互作用的所谓“暗物质”与“暗能量”。[28]从19世纪末到20世纪初,人们对“以太”和“黑体谱”的孜孜以求,结果虽然从迈克尔逊-莫雷实验中,已证实“以太”的不存在[30],但却导致了相对论和量子论的建立,对现代科学的发展做出了巨大贡献。类似地,对“暗物质”和“暗能量”的持续探索,或许也将催生当代天文学革命性新理论的出现,对等离子天体物理学的发展、尤其是等离子体宇宙观的确立做出重要贡献。[28]

文化影响

热寂说在社会上引起了巨大反响,美国历史学家亨利·亚当斯(Henry Adams)认为正是热寂说带给19世纪所特有的低落情绪和对社会进步的失望情绪,还给一些作家带来了一种宇宙热死亡的忧郁心态。[9]美国物理学史家霍尔顿认为造成社会崩溃和环境衰退,作家沉湎于世界末日的悲观情绪,是由于熵的增加意味着更大的无秩序和混乱!”[9]

英国诗人斯温伯恩(Algernon Charles Swinburne)用他的诗描述宇宙热寂:

不论是星星还是太阳将不再升起,

到处是一片黑暗,

没有溪流的潺潺声,

没有声音,没有景色,

既没有冬天的落叶,

也没有春天的嫩芽,

没有白天,也没有劳动的欢乐,

在那永恒的黑夜里,

只有没有尽头的梦境。[9]

参考资料 30

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 热寂(heat death) — 国家天文科学数据中心
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. On the Age of the Sun’ s Heat — zapatopi.net
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 参考 25
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 诺贝尔物理学奖 — THE NOBEL PRIZE
  30. 参考 30

注释

  1. 熵,是表示过程方向和限度的一个热力学参数,用于度量体系自发过程的不可逆程度。人们常利用过程的熵变值来判断过程自发进行的方向性。在孤立体系中,某一过程的dS>0为自发过程,dS =0为平衡的可逆过程,dS<0则为非自发过程或者不能进行的过程。[6]
  2. 开尔文勋爵(Lord Kelvin)(即威廉·汤姆森,W.Thomson)[4][3]
  3. 始态复现定理也称“庞加莱重现”:孤立、有限、保守的动力学系统,会在有限的时间内回复到任意接近初始组态。[22]
  4. 根据爱因斯坦关系式,粒子通过不规则的波动传播出去的程度取决于温度。也就是说,扩散系数与温度成正比,这种由温度控制的波动叫作“热涨落”( thermal fluctuation )。[23]
  5. 涨落定理( fluctuation theorem ) ,在一个非平衡过程中,对“嫡增加”和“嫡减少”的事件分别进行统计,准确地量化了正逆过程概率上的差别。[24]
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