关于热寂 ZT

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。（[17],p.77～78）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”，[22]“热寂说的一页，已被翻过去了”！([15],p.92)
　　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。[23]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，[24]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。

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