第一百七十七章 热寂理论（2/2）
况且，今天的科学还不能证明宇宙是否无限。因此，这种说法并不能驳倒“热寂说”。另一方面，认为从孤立系中得出的第二定律不能推广到无限宇宙去的论证，从逻辑上看也是不严密的。小范围内的自然规律外推到大范围在逻辑上并不必然错误，科学史上就有大量这样外推的先例，如绝对零度概念、热力学第一定律以及模型方法等。既然能把热力学第一定律作为证明辩证唯物主义关于世界普遍联系的根本规律推广到整个宇宙，那么又为什么不能将第二定律作同样的推广呢？事实上，热力学第一定律也没有在无限的条件下做过实验。必须承认，任何实践活动都是在有限的范围内取得的，把由此得出的结论外推不但是经常的，而且是必需的，甚至在处理复杂对象时是最有效的方法。因此，这种说法从逻辑上看也是不能驳倒“热寂说”的。也有人认为，外推第二定律之所以受到如此之多的责难，首先是因为人们认为它否定了马克思主义关于发展的辩证法，其次是因为它本身“不合希望”性，是一条带有悲观色彩的定律，人们主观上希望它最好受到某种“制约”。这种说法有点类似于莫诺的观点。
此外，中国和苏联也对“热寂说”进行过大规模的批判。由于这些争论基本上都是意识形态之争，而且这正是趣÷阁者另外一篇文章要讨论的问题，故本文不做进一步论述。
“热寂说”提出一百多年来，无论是在科学上还是在哲学上，各种争论此起彼伏，无休无止。有许多赞同者，也有许多反对者。他们都在孜孜不倦地寻求着这一疑难的最后答案却没有结果。哲学家伯特兰·阿瑟·威廉·罗素BertrandArthurWilliamRussell发出这样悲观的感叹，“一切时代的结晶，一切信仰，一切灵感，一切人类天才的光华，都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中--所有这一切，几乎如此之肯定，任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。唯有相信这些事实真相，唯有在绝望面前不屈不挠，才能够安全地筑起灵魂的未来寄托”。即使是像控制论之父维纳N.Wiener这样的科学巨匠，最终也“控制”不住自己沮丧的感情，几乎是在绝望中悲叹，“我们迟早会死去，很有可能，当世界走向统一的庞大的热平衡状态，那里不再发生任何真正新的东西时，我们周围的宇宙将由于热寂而死去，什么也没有留下……”
那么，答案在哪里呢？科学解和哲学解，谁更真实、谁更符合人类的愿望呢？事实上，一个多世纪以来，各种哲学派别无休无止的争论亦无助于这一问题的最终解决。然而，科学仍然坚持走自己的道路。尽管人们承认哲学能给人以启发和提供思考的方向，但宇宙的未来只能依赖于科学自身的发展，任何超科学的回答都会把问题引向认识论的误区和歧途。俄国物理学家诺维科夫I.Novikov说了一句意味深长的话，“今天这样的争论已成为过去，是科学来确定世界真正结构的时候了”。
终结
长期以来，对“热寂说”疑难的回答，无论从科学上看还是从哲学上看似乎都未能切中要害，缺乏说服力，因而一再爆发争论。然而20世纪六、七十年代以后，自从“大爆炸”宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认以来，对“热寂说”疑难的讨论发生了根本性的转向，这一时期成了“热寂说”争论史上一个划时代的转折点。
在大量涌现的介绍大爆炸理论的文献中，特别令人瞩目的是，1994年10月，《科学美国人》杂志以“宇宙中的生命”为主题隆重推出了一期专刊，其中登载了四位著名科学家的综述，全面介绍了当代天体物理学界关于宇宙起源与演化问题的研究成果——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。宇宙大爆炸理论是20世纪科学研究的重大成就，是基于几十年的创新实验与理论研究的结果。因而获得了科学界的公认，并成为现代宇宙学的标准模型。
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，美国天文学家爱德文·哈勃EdwinPowellHubble在研究了前人测量的星系距离资料后发现，远星系光谱线的颜色要比近星系的稍红一些。哈勃仔细测量了这种红化，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。英国皇家格林尼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。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，而且物质分布也是相当均匀的。大爆炸之后，宇宙才逐渐偏离热平衡态。
早在大爆炸宇宙理论为科学界公认之前，一些学者即正确地指明了解决宇宙热寂疑难的方向，关键在于应从宇宙中是否存在热平衡态这一根本性问题着手。现在，大爆炸理论直接证明了宇宙在膨胀，而宇宙在膨胀则是热力学和宇宙学相容的关键，那么在一个膨胀的宇宙中是否存在着热平衡态呢？
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不一样。那么，按照经典热力学，经过一段时间以后，Tr与Tm必定相同。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，结论就完全不同了。由于在膨胀过程中，不同物质的温度降低的程度不一样，辐射温度降低较慢，粒子温度降低较快，就会造成Tr大于Tm而产生温差。这与经典热力学的结论正好相反。虽然这个温差会由于辐射与粒子之间的碰撞而消失，以至达到热平衡，但是由于达到平衡所需的时间比宇宙膨胀所需的时间要长，因而辐射和粒子之间就永远不可能达到热平衡。此时系统的熵尽管不断增加（这与热力学第二定律相符），但它离平衡态却越来越远。而宇宙中发生的正是这种变化。
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，而宇宙间的天体或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。[21]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”。[15],p.92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。
于是，人类终于从百年梦魇中醒来，爆发出热情的欢呼，“宇宙不但不会死，反而会从早期的热寂状态（热平衡态）下生机勃勃地复苏”，“热寂说的一页，已被翻过去了”！
然而，人类的欢呼似乎来得早了一点。尽管热力学意义上的宇宙“热寂”状态永远不会到来，但宇宙的命运却不会因此而变得更加令人乐观。宇宙的结局完全取决于它的初始条件，宇宙的创生与终结始终紧密相连。大爆炸理论发现了宇宙起源的真相，同时也预言了它遥远的未来。
在大爆炸理论中有一个极其重要的参量Ω=ρ[,0]/ρ[,c]，其中ρ[,c]是与哈勃常数密切相关的一种宇宙临界密度，ρ[,0]是现在的宇宙密度。若ρ[,0]<ρ[,c]，即Ω<1，表明宇宙是膨胀的，并且一直膨胀下去；若ρ[,0]>ρ[,c]，即Ω>1，表示宇宙起初膨胀，到达一定时刻后，就将转化为收缩。若ρ[,0]=ρ[,c]，则宇宙处于两者之间的临界状态。由于大多数人承认的观测结果是Ω<1，因此宇宙一直永远膨胀下去成为最可能的一种状态。假使如此，未来所有恒星上的热核反应都将逐渐停止，留下的将是各种各样的宇宙“熔渣”——黑矮星、中子星和黑洞，而宇宙的背景辐射温度将不断下降，以至于无限地趋近于绝对零度，最终达到另一种意义上的“冷寂”。宇宙另一种可能的状态是，当膨胀达到最高点，背景辐射的温度降到最低，此时宇宙开始收缩，温度又重新上升。当宇宙不断收缩至愈来愈接近它的最后阶段时，环境条件同大爆炸后不久起支配作用的那些条件越来越相似，宇宙又重新回到处于“热寂”状态的基本粒子“羹汤”状态。这实际上是一个反演过程。在宇宙暴缩的最后时刻，引力成为占绝对优势的作用，所有的物质都将因挤压而不复存在，包括时空本身在内的一切有形的东西统统将被消灭，只剩下一个时空奇点。无论宇宙最后出现哪一种状态，其结果对人类来说都将是灭顶之灾。
这就是大爆炸理论为人类预言的宇宙未来和世界末日。由于这一理论也不合人们的期望，因而当它提出之日起同样也遭到了来自各方面的反对，并认为它是一个“倒了头”的宇宙“热寂说”。然而，自然规律毕竟不以人的意志为转移，人类必须正确对待，最好的心态是，“我们决不能忽视物之有生亦必有死的事实，死亡或许正是为创生不得不付出的代价”。
当然，还存在着一些其他并非毫无科学根据的宇宙模型，也许会带给人类新的光明和希望。人类不应该气馁。“我们的后代也许还有数十亿年甚至数万亿年的时间来对付这场最后的大屠杀。在这段时间里，生命能够扩展到整个宇宙……并对它加以控制，因此他们可以调整自己的位置，支配一切可能的资源来对抗这场大危机”。
热寂说与大爆炸宇宙学的争论
焦点：熵增原理的适用范围
任何物理定律都仅在满足一定条件才能成立。如牛顿力学仅在宏观、低速、弱引力场平直空间、可积系统条件下成立。超出这个范围将被量子力学、相对论、混沌学所取代。
熵增原理显然也有自己的适用范围。
从产生过程来看，熵增原理是在对热机效率的研究和实验事实的基础上得出的，但随着人们对客观世界认识的深化，熵增原理的适用范围也会随着逐渐拓宽。然而，这种拓宽不是随心所欲的，必须用足够的事实和理论根据加以支持，否则便会失之毫厘，谬以千里。下面就对熵增原理的适用范围做出总结。
1.必须是孤立系统
根据耗散结构理论，对于一个开放系统，熵的变化可分为两部分，一部分是由系统本身不可逆过程引起的熵产生dis，另一部分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产生时，系统的总熵减少。此时熵增原理不成立。
2.系统由作无规则热运动的大量N=1020以上粒子所组成，且系统内粒子无规则热运动之动能居主导地位。
熵增原理涉及温度、熵等物理概念。而温度是大量微观粒子热运动的整体表现，与这些粒子运动的平均动能有关，具有统计意义。显然，统计规律只能在大量粒子组成的系统中发挥作用，因此，热力学第二定律不适用于由少数原子或分子组成的系统。
计算表明：通常的热力学系统中，分子无规则热运动的动能远大于引力势能，这正是一切自发热过程系统的熵总是增大的原因。而当系统内粒子或物体间相互作用势能大于粒子无规则运动动能如原子核内时，熵增原理就不成立了。
3.系统处于平衡态或近平衡态
熵增原理热力学第二定律的严格表述应该是:当热力学系统从一个平衡态经过绝热过程到另一平衡态，它的熵永不减少。如果不追求严格性，熵增原理也只能在近平衡态有效。
通过上面的总结可以发现，从熵增原理到热寂说的推理存在许多不严格的地方，正是由于这些不严格致使我们无法明确地判断热寂说是否成立。也就是说，虽然不能推翻“热寂说”，但其自身的推理也不足以令人信服。
</br>
</br>