简单来说,热力学第二定律推导出的熵增加原理指的就是,孤立系统的熵永不减少。因此,热寂结论是基于“宇宙是个孤立、封闭系统”这样的宇宙观的。
后世一部分人就是从这个角度来攻击热寂说的——世界是无限的,不是封闭的,因而不能把热力学第二定律推广到全宇宙。
简单来说,热力学第二定律推导出的熵增加原理指的就是,孤立系统的熵永不减少。因此,热寂结论是基于“宇宙是个孤立、封闭系统”这样的宇宙观的。
后世一部分人就是从这个角度来攻击热寂说的——世界是无限的,不是封闭的,因而不能把热力学第二定律推广到全宇宙。
1.涨落
“涨落说”是由玻耳兹曼(L.E.Boltzman)于1872年提出的。这使得其成为19世纪已知的唯一两个在文献中留下对热寂说抨击的人。他从统计角度来解释这个问题:总会有宇宙的某些局部因为随机的涨落出现熵减小的情况。尽管在整个宇宙来看,熵是增加的,但随机的涨落永远会存在,于是一直都不会迎来完全的热寂。而人类等生命这样高度有序的存在也在“因为随机涨落而出现的熵减小”的区域变得可能。
热寂说维护者对于玻尔兹曼的反驳是,随机涨落的效果要大到可以产生生命这样的高度有序的可能性几乎是不存在。但这样的反驳显然是苍白无力的,“人择原理”就可以回答这个诘难。
用与费恩曼经典的“车牌号码比喻”的类似例子。我今天晚上被蚊子咬了,但是我怎么可能被这只蚊子咬呢?这个世界的蚊子多的不计其数,而我恰好被这只蚊子咬的可能性几乎为零啊(假如有一千亿只蚊子,假如我已经被蚊子咬了,那么我恰好被这只蚊子咬的概率是一千亿分之一)。上述诘难相当于就是在说,一个人被蚊子咬的可能性几乎是不存在的(只有一千亿分之一!)。荒谬之处显而易见。他们忽略了人类已经存在于一个可以产生生命的宇宙这个条件。一个宇宙能因玻尔兹曼所说的涨落而产生生命的可能性的确是非常小,但是在那样的宇宙也根本不会有提出这个问题的生物存在。
2.非平衡定态
后来普里戈金(I.Prigoging)引领著名的布鲁塞尔学派在20世纪开创了“非平衡定态”热力学,而后发展为耗散结构理论。耗散结构是指在远离平衡的条件下,借助于外界的能量流、质量流和信息流而维持的一种空间或时间的有序结构,它随着外界的输入而不断地变化,并能进行自组织,导致体系本身的熵减少。普里戈金所著《从存在到演化》一书第6章“非平衡涨落”部分作此阐述:“在宏观物理学中,涨落一般起着较小的作用,因为当系统充分大时,他们作为可以忽略的小的修正而出现。然而在分支点附近,它们起着实质性的作用,因为在那里是涨落驱动平均值。这正是我们在第4章引进涨落达到有序的观念的意义。”也就是说,宇宙可以在某些区域形成某种较稳定的机制,可以将玻尔兹曼所说的涨落更长期地贮存下来。这一理论大大加强了涨落说的说服力。
玻尔兹曼对热寂说的批判是当时很有影响力的一种,直接指出了热寂说的疏漏。
3.麦克斯韦妖
麦克斯韦妖大概是物理学历史上最著名的妖了。它是由麦克斯韦(J.C.Maxwell)最先提出的,是一只可以减少孤立热力学系统的熵的妖怪。19世纪已知的唯一两个在文献中留下对热寂说抨击的人的另一个就是麦克斯韦了。假设宇宙中存在某种机制能有类似与麦克斯韦妖的能力,那么熵增加原理就是错误的,热寂说也将站不住脚。
但麦克斯韦妖实际上并不能减少一个孤立热力学系统的熵,除非外界提供给它信息。但来自外界信息实际上是含有负熵的,正是这些负熵降低了系统总的熵。现代信息熵理论已经非常成熟,完全解决了这个问题。没有信息麦克斯韦妖就无法工作。麦克斯韦妖对信息熵理论的发展做出了不可忽略的贡献,但它并不能伤热寂说分毫。
综上:观点1,2和前提条件(宇宙是否满足热二定律)都是对热寂说有力的反驳。
物理上,热寂说是错误的。
热二定律说,如果闭合系统在某一时刻出于非平衡的宏观状态,那么最概然的后果是系统的熵在后续时刻单调增长。
把这个定律应用到宇宙,是不合适的。在考虑宇宙中的巨大区域时,其中存在的引力场将起巨大作用。根据广义相对论,引力场是时空度规的改变。说简单些,引力会改变时空的性质,而时空的性质对于所研究的系统来说是外界条件。
上述热二定律仅对稳定外界条件下的系统适用。而膨胀的宇宙表明,度规(外界条件)与时间有关。所以它不稳定,引力场不能作为闭合系统的一部分,整个宇宙不能看作闭合系统。
一句话,这个定律有前提条件,但是宇宙不满足这个条件。
说宇宙不是封闭系统的确是个明显的错误反驳方式。
但是显然,这个问题目前是没有答案的,我们都宇宙还没有那么了解。
我觉得根本没必要用目前的理论来解释,熵增定律显然目前来看是正确的,但是宇宙还有很多未知,比如宇宙大爆炸理论,只是个雏形,现有理论也根本无法解释,况且大爆炸理论也只是个假说。
我们说未知有无限可能,但这不是否定熵增定律的理由,这种反驳毫无意义,只有确定的,发现某种机制或者理论,它能够摆脱熵增定理,才是真正的反驳。
都是假说,谁也不知道宇宙外面是什么样的,谁也不知道宇宙是否有在承受外部因素的影响。谁也不知道宇宙外面是否还有其他的存在。





