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热寂说的提出及其影响-【新闻】

发布时间:2021-04-05 17:39:14 阅读: 来源:手帕厂家

热寂说的提出及其影响

对热寂说的历史进行了较系统的考察,并对其产生的社会影响及批判作了较系统的探讨和阐述。全文分四部分:一、全面回顾了在科学史上热寂说是怎样提出的,以及一经提出后引发的各种争论及争论的焦点;二、分析了热寂说提出后产生的重大社会影响;三、着重介绍及评述了对热寂说进行的各种批判,重点是对后世影响较大的两个代表性说法恩格斯对热寂说的批判及较流行的各种观点;四、阐述和探讨了“大爆炸”的宇宙理论及其三个强有力的直接论据,以及引力对宇宙膨胀的作用,从而最终证明宇宙热寂说是不可实现的。

[关键词]热寂说;熵增加原理;近代宇宙论

“热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论,它既是哲学上的一个原则问题,也是物理学上无法直接验证的问题,它的意义关系到包括生命物质在内的万物生长、发展和消亡的普遍规律以及人类和宇宙的未来等问题。所以一经提出,就一直受到科学界和哲学界的广泛关注并引起激烈的争论,但尚缺乏较全面的专论。本文试图对热寂说提出的历史进行较系统的考察,并对其产生的社会影响及批判作进一步的探讨和阐述。

一 热寂说的提出

一般的热学和物理学史教科书都认为最早提出热寂说的物理学家是威廉·汤姆孙和克劳修斯。其实早在威廉·汤姆孙(W。Thomson)和克劳修斯(R。Clausius)一百多年前牛顿就已看出了他们后来提出的热寂说(heat death)。牛顿在其《光学》一书的疑问31(problems 31)中描述了后人在一百多年后描述的可怕的宇宙毁灭景象:地球、行星、彗星和太阳这些物体,以及它们上面所有的一切,均将冷却和凝冻,变为非活性的物体。并且所有腐烂、生长、繁殖和所有生命现象,均将停止。所有的行星、彗星将不再能留在它们的轨道上运动。这就是说,牛顿在建立自己力学体系之初,就已意识到它的体系不能解释非弹性碰撞过程(实际上就是牵涉到热交换的过程)的不可逆性与宇宙稳定性的矛盾。为了解决这一矛盾,牛顿提出了“主动原理保持和补偿运动”的物理思想。他指出:“所以,有一种按照主动保持和补偿运动的必要性,这就是重力的原因。行星和彗星由这个原理保持在轨道上,降落时物体获得大的运动,由发酵的原因,动物的心脏和血液保持永恒的运动和热量。地球内的部分持续生热,某些部分变得很热……太阳保持剧热并可见,以其光使万物变热。除去归之于这些主动原理之外,我们在宇宙间遇到的运动很少。”从这段话可以看出,虽然牛顿带有过分强烈的思辨性,但他在设法超脱机械论的局限性,希望用非机械论的解释摆脱力学带来的困难。然而在他那个时代,当能量、能量守恒定律以及各种运动形态均未出笼时,他的设想是很难有什么积极的成果的。为此,他只好求助于上帝的存在,希望上帝给以支援。他在同一书中又指出:“上帝既是宇宙的创造者,又是宇宙的持续的保持者。”“没有他的治理和监督,就会一事无成。说宇宙是一架大机器,无需神的干预即可以运转下去,就如同一个时钟不需要钟表匠的帮助而继续运转那样,这种观念实际上是以把上帝说成是超凡的神灵为借口,想把天意和上帝对现实的统治排除掉。”

随后,欧勒、拉格朗日、拉普拉斯和泊松等一批物理学家和数学家从数学分析方面发展了力学,他们证明,太阳系中所有的变动都是周期性的,这种变动不仅在某一有限范围内进行,而且其增强或减弱的变化也是周期性的。因此,他们得出结论,认为太阳系具有一种稳定性,而且在无限长的时期里,这种稳定性是永远不会改变的。从而他们从物理思想中排除了上帝,这当然是一个了不起的进步,但他们却由此而忽视了牛顿对于不可逆过程的担心,并想彻底抛弃这种忧虑,而宣布太阳系(乃至整个宇宙)将永远稳定,应该说这也是物理思想史上的一次后退。

由以上简单的历史回顾可知,当W·汤姆孙和克劳修斯揭示了自然过程的不可逆性这一曾在历史上争论过的问题后,为什么会引起当时许多一流物理学家的高度重视!

1852年,W·汤姆孙在关于自然界中机械能耗散的一篇论文中提出,在自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平,最终导致所有物体的工作能力减小到零,达到热寂状态。他在1862年发表了《关于太阳热的可能寿命的物理考察》论文,明确提出“热寂说”。他写道:“热力学第二个伟大定律孕含着自然的某种不可逆作用原理,这个原理表明虽然机械能不可灭,却会有一种普遍的耗散趋向,这种耗散在物质的宇宙中会造成热量逐渐增加和扩散,以及热的枯竭,如果宇宙有限并服从现有的定律,那么结果将不可避免地出现宇宙静止和死亡状态。”

从汤姆孙这段话可以看出,他从机械能转化为热而耗散和热力学第二定律,得出宇宙热寂的观点。随后克劳修斯在1865年的论文《论热的动力理论的主要方程的各种应用形式》中得出:“这个定律在宇宙中的应用,已得出一个结论,那是汤姆孙首先得出的,因此我才发表我所说的论文。”可见克劳修斯承认汤姆孙先于他提出热寂说,并启发他做进一步的尝试。

克劳修斯在1865年的上述论文中把宇宙看作一个孤立的绝热系统,在这个系统中热的正向变化总是大于负向变化,因此他认为宇宙热量的总和将向一个方向变化而趋于最终状态。另外他指出,他的熵只包含了“热含量”和“热离散度”,而未考虑当时已知的热辐射和由“以太”传播的热量等。他写道:“由此熵尚未用尽,还必须考虑辐射热,或以太振动方式通过宇宙空间弥散热的其它形式,以及不包括在热名义下的那些扩展更远的某种运动。”正是在上述前提下得出他表示的宇宙基本定律:1)宇宙的能量是恒定的;2)宇宙的熵趋于极大。克劳修斯在1867年作的《关于机械热理论的第二定律》的讲演中,又进一步提出:“宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态,它继续发生变化的可能性就越小;当它最后完全达到这个状态时,就不会再出现进一步的变化了,宇宙将永远处于一种惰性的死寂状态。”这就是著名的克劳修斯的“热寂说”的来历。

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个限定,而是毫无条件地推广到整个宇宙。在对“热寂说”的提出者进行客观评价时,这种区别是要特别认真对待的。

除W·汤姆孙外,在克劳修斯前提出热寂说的还有赫姆尔霍兹,这一点很久以来似乎被人们忽视了,他在1854年的一次讲演中就谈到热力学第二定律意味着整个宇宙最终将处于温度均匀的状态,并且“自此以后,宇宙将陷入永恒的静止状态”,即热寂状态。

二 热寂说的社会影响

热寂说的提出,在社会上引起了巨大的反响,因为它是基于严谨的科学定律而预言的“世界末日”。这种世界末日的悲观思想造成了19世纪欧美所特有的悲观情绪,使很多人因此对社会进步感到悲观失望,以致不仅自然科学家关心,人文学者也同样关心。

美国历史学家亨利·亚当斯把它解释为19世纪所特有的低落情绪的原因,还把它与对社会进步的失望情绪相联系,正是这一观念给一些作家带来了一种对宇宙热死亡的忧郁心态。例如具有资产阶级自由思想的英国诗人斯温伯恩曾这样描述了热寂:

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,

只没有尽头的梦境。

美国的物理学史家G·霍尔顿把这种没落情绪正确地归之于社会原因。他在《物理科学的概念和理论导论》一书中指出:“热寂说对于一些流行作家有一种不健康的吸引力,这些作家沉湎于席卷欧美社会某些部分的关于世界末日的悲观情绪。由于熵的增加意味着更大的无秩序的混乱,这也许就是对社会崩溃和环境衰退的一种解释!”

这样,热力学第二定律被视为堕落的渊薮。因为它断言,一切都不免从有序走向无序,从整齐走向混乱。甚至更有人延伸说,热力学第二定律表明人种将从坏变得更坏,最终都要灭绝。总之,在19世纪末,热力学第二定律和由它导出的热寂说,已成了社会声誉最坏的科学定律。

因此,从19世纪开始,就不断有人提出各种方案或假说来批判热寂说,试图证明热寂说只是一个佯谬,由此证明宇宙是不会热寂的。这些批判都十分令人钦佩,因为它们若成功了,就不仅拯救了物理学的名声,而且也“拯救了整个宇宙和人类”。

三 对热寂说的批判

长期以来,人们总以为宇宙基本上是静态的,而且在时间上既无始又无终。但按照热寂说的说法,似乎宇宙早就该处于热寂状态了。然而最使人不可理解的是,为什么现实宇宙至今并没有达到热寂状态?由于热寂说在感情上和理智上都给人以强烈的冲击,所以它问世不久,就遭到各方面的抨击。下面简要介绍对后世影响较大的两家之言以及比较流行的一些观点。

1。对后世影响较大的两个代表性说法

(1)“麦克斯韦妖”的提出。1871年,麦克斯韦(J。Maxwell)曾以“麦克斯韦妖”给热力学第二定律提出了一难题。他设想:一个容器分为A和B两部分,中间有一小孔,有一个小精灵能打开孔道,使快分子从A跑到B,慢分子从B跑到A,这样就在不消耗能量的情况下,使B温度升高,A温度下降。这样一来,热量自动从低温部分传向高温部分,系统的熵降低了,热力学第二定律受到了挑战。人们称这个小精灵为“麦克斯韦妖”。一百年来,“麦克斯韦妖”对许多物理学家一直有很大的诱惑力。麦克斯韦认为,只有当我们能够处理的只是大块的物体而无法看出或处理借以构成物体分离的分子时,热力学第二定律才是正确的,并由此提出应当对热力学第二定律的应用范围加以限制。然而1929年,匈牙利物理学家西拉德揭开了“麦克斯韦妖”之谜。他指出:麦克斯韦妖有获得和储存分子运动信息的能力,它靠信息来干预系统,使它逆着自然界的自发方向进行。1951年布里渊更明确指出,妖精要识别分子,它必须有一个温度与环境不同的微型光源去照亮分子,这就要输入能量,按现代的观点,信息就是负熵,正是麦克斯韦妖将负熵输给了系统,才降低了系统的总熵。麦克斯韦妖正是以此为代价,才获得了所需要的信息(即负熵)的这额外的熵的产生,补偿了系统里熵的减少,从而引起熵的增加。他由此断言妖精是不存在的。

(2)玻尔兹曼的质疑。1872年玻尔兹曼(L。Bo—ltzmann)也指出:热力学在局部范围内是正确的,但它不是绝对的规律。他首先赋予熵的增加以统计解释,按照这样解释热平衡态总是伴随有涨落现象,后者是不遵守热力学第二定律的。在宇宙的某些局部可以偶然地出现巨大的涨落,在那里熵没有增加,因此宇宙也就不可能产生热寂,甚至还在减少,因此宇宙也就不可能产生热寂。玻尔兹曼这种“涨落说”有一定的吸引力,但尚缺乏事实根据。天文学观测表明,至今没有任何有说服力的证据说明现在的宇宙是处在热平衡态并存在着上下“涨落”。而且从逻辑上看,玻尔兹曼的“涨落说”实际上是把宇宙“热寂”已经放在他的前提中了,因而他首先承认“涨落”是在平衡态附近发生的。而对于任何“涨落”,不论它有多大,最后必然会消失,重新回到平衡状态。尽管后来一些物理学家,如莱辛巴赫(H。Reihenbaeh)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,并进一步指出了存在着熵的涨落现象,但同样由于缺乏观测证据支持而最终被放弃。

2。恩格斯对热寂说的批判

由于“热寂说”涉及到宇宙未来和人类命运等重大问题,因而也引起了哲学界,尤其是马克思主义哲学的深刻关注,一百多年来,恩格斯对“热寂说”的批判产生了深远的影响。

“热寂说”刚刚提出,恩格斯就在1869年3月2日致马克思的信中指出,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,因此,最后将出现一个一切生命都不能生存的时刻,整个世界将由一个围着一个转的冰冻的球体所组成。我现在预料神父们将抓住这种理论,把它当作唯物主义的最新成就,用来作为“必须设想有上帝存在”的论证,而这种论证实质上是与辩证唯物论背道而驰的。

恩格斯在其《自然辩证法》导言中,又从能量守恒与转化的观点出发,对热寂说也作了精辟的分析和批判。他指出:“散射到太空中去的热必须有可能以某种方法——阐明这种方法将是以后自然科学的课题一转变为另一种运动形态,在这种运动形态中它能够重新集结和活动起来。”恩格斯依据天文观测资料“新星之突然地闪现以及熟知的旧星的突然增加光亮”指出散射到太空中的热能有重新集结的可能,他坚持辩证自然观的正确性,因此他写道:“我们确信,物质在它的一切变化中永远是同一的,它的任何一个属性都决不会丧失,因此它在某个时候以铁的必然性毁灭自己在地球上的最高的花朵——思维着的精神,而在另外的某个地方和某个时候又一定以同一种铁的必然性把它重新产生出来。”

3。曾广为流行的其它观点

(1)熵增加原理只对孤立系统成立,目前我们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。

(2)对整个宇宙而言,既存在着从有序向无序转化的过程,即熵增加过程,也存在着无序向有序转化的过程,即熵减少过程。因此,耗散结构理论认为宇宙在历史的长河中,熵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,熵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,叫做熵产生,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,叫做熵流用des表示。所以整个系统的熵变化是ds=dis+d3s一个系统的熵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,这就是熵增加原理的表达式。

但对于非孤立系,视外界的作用不同,熵流des可正、可负。如果des<0,且|des|>dis,就会有ds=dis+des<0,这表示经过这样的过程,系统的熵会减小,系统就由原来的状态进入更加有序的状态。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。

(3)熵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,它的熵不减少。”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,在我们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,说我们所及的历史年代中宇宙的熵不断增加是没有根据的。四热寂说的终结

多少年来我们总有这样的感觉,对已有的对热寂说的批判说服力不强,并没有真正解决问题。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,使热寂说的佯谬迎刃而解。

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。然而大爆炸宇宙学的研究和观测表明,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。按照熵增加原理,只对于每个静态的封闭体系,熵才有个固定的极大值Smax;对于膨胀着的系统,每一瞬时熵可能达到的极大值Smax一是与时俱增的。如果膨胀得足够快,系统不但不能每时每刻跟上过程以达到新的平衡,而且实际上熵值S的增长落后于Smax的增长,二者的差距越拉越长。虽然系统的熵不断增加,但它距平衡态却愈来愈远。我们的宇宙中发生的正是这种情况。

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。1929年,美国天文学家哈勃(E。Hubble)在研究了前人测量的星系距离资料后发现,这星系光谱线的颜色要比近星系的稍红一些,哈勃仔细的测量了这种红化,发现它呈系统性变化,而且,星系愈远,光谱线红移愈大,在进一步测定了许多星系光谱中特征谱线的位置后,哈勃证实了这个效应,并指出红移现象的产生是由于星系在退行而使光波变长的结果。由此,他总结出了著名的哈勃定律:星系退行的速度与距离成正比。从哈勃定律人们会很自然地得出宇宙在膨胀的推论。这个重大发现奠定了现代宇宙学——大爆炸理论的基础。

支持大爆炸宇宙论的第二个证据是宇宙中氦元素丰度的预言和测定。大爆炸发生一秒钟以后,宇宙是由极高温的基本粒子组成的“羹汤”,这时整个宇宙处于均匀的热平衡态。随着宇宙的膨胀和降温,其中的一些粒子逐次与其余部分粒子脱耦。此时产生的核反应使中子和质子聚合在一起,形成氦核,余下的核子(没有聚合的质子)自然就形成了氢核。精确的理论计算表明,当时应有23。6%的物质质量聚合成了氦核,英国皇家格林威治天文台对众多星系中原始星云的发射光谱进行观测的结果表明,宇宙中氦的实际丰度为23。5%。这一结果与大爆炸的理论预言极为相符。

支持大爆炸理论的第三个证据是3K微波背景辐射的发现。大爆炸理论预言,现在的宇宙中应该存在着一种来自宇宙早期的均匀的、各向同性的微波背景辐射,它是宇宙早期的遗迹,频谱应该符合普朗克黑体辐射公式,温度约为3K。1965年这一预言被射电天文学家彭齐亚斯(A。Penjias)和威尔逊(R。Wilson)在宇宙观测中证实,此后亦为众多科学家进一步证实。这一结果表明,宇宙早期曾一度处于平衡态,处处都有相同的温度,而且物质也是相当均匀的,非均匀性不超过10——5,大爆炸之后,宇宙才逐渐偏离热平衡态,而今天宇宙中物质分布的不均匀性已高达10—103。

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则刚好相反,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。因此,只要有引力体系存在,原则上就不存在稳定的热平衡,而宇宙间的天体或天体系统大多数正是这种引力系统。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,永远没有极大值。

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料想到的。

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,前苏联理论物理学家朗道认为当考虑宇宙的大区域时,引力起了重要作用,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。因此,考虑到宇宙的膨胀及引力效应,宇宙热寂是不可能实现的。

当然,今天的宇宙观尚不能预卜宇宙的最终结局,但这些未尽之页已不属于热寂说,而是新的一章了。

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