再论宇宙生命、热寂和热平衡

 山东章丘 马国梁 

一 关于宇宙中的生命

我们丝毫不用担心生命在宇宙中能否永恒存在，因为它在地球上已经确确实实的存在了。

地球是有起源的，所以地球上的生命不是从来就有的。假若它是自然演化出来的，那么在与地球相似的其它星球上也同样能够演化出来；假若它是外来生命的种子在地球上繁衍的结果，那么这些种子在遇到与地球相似的星球后也同样能够繁衍开来。

倒是这些生命能否发展到人类社会这个程度比较令人担心。因为它在发展过程中有许许多多偶然因素。不过既然宇宙中拥有无限多个星球和无限长的演化时间，那么地球上的人类社会就绝不是唯一的，宇宙中一定还会有其它文明星球。

  二 关于“热寂”问题

我们也丝毫不用担心宇宙在将来会达到毫无生气的“热寂”的状态。因为前边它在经过了无限长的时间后至今没有达到，那么它在将来的无限长的时间内也同样不会达到。

诚然，宇宙空间的温度总是稳定在3开以下，但我们相信所有恒星辐射到宇宙中的光和热都不会凭空消失。这些能或者用来升华固态物质、分解大分子、分离正负电荷，或者用来在真空场的涨落中产生新的实粒子。然后在万有引力作用下再重新聚集起来形成新的星系，进而实现宇宙物质的大循环。

三 关于“势能最小原理”

物理上的“熵”和“焓”都是不必要的令人费解的概念。

反映孤立系统热平衡态的“熵的最大原理”其实质就是“势能最小原理”。一个孤立的热系统其自发的变化过程总是向着势能减小的方向进行，直到势能相对最小为止。这个方向是不可能自发逆转的。其平衡态的表现是：密度、温度、压强都处处相等，且每种物质的分布也都处处相等。

将一滴墨水滴到一杯清水里，之所以能够四处扩散，是因为墨水和清水的密度都不再处处均匀了。在墨滴区域，墨水的密度大，它的分子热运动所产生的扩散压强也大；而清水的密度则较小，所以它的分子压强也比四周的要小。于是便各自产生了相应的势能。只有当墨水扩散到处处均匀时，整个系统内部的势能才能达到最低。

在固体容器内，气体扩散的结果是必然充满容器的所有空间，因为只有这样才能让势能达到最低。若想再进一步扩散，那么容器就必须增大体积和约束力，从而提高了容器的势能。

在没有容器限制的情况下，气体将会扩散到无限远处。体积变成无限大，势能降到零。

当容器的体积无限扩大时，气体温度将降到绝对0开，当然这是不可能的。理论和实验都证明：不论采用何种方法，都不可能到达绝对0开，这就是著名的热力学第三定律。

气体分子的运动实际上是对分子斥力的传递。因此气体的压力应该是保守力，就像弹簧力一样。

密闭容器内的气体绝热过程就是保守力做功的过程，是完全可逆的。当容器体积膨胀到无穷大时，气体的内能将全部转化成机械能，热效率为100% .但在技术上这是不可能的，因为我们没有无限大的气缸让活塞无限运动下去，更何况还有其它热损失。

当然，密闭容器内的物质体积也不可能无限缩小，这是由于分子斥力在起作用。当分子间的距离变得非常接近时，斥力就会迅速增加，势能也随之大大增加。

人的健康状态和社会稳定局面也是遵循势能最小原理的。人体如果患病，那么体内的各种因素就会被纷纷调动起来，各自发挥作用，力图回到健康状态。所以生命过程并不是稳恒不变的，而是一直充满着连续不断的振荡过程。

人的欲望也是一种势能，它必须利用自身的体力或借助外界的自然力，通过做功才能消除。人的所有劳动产品都是各种意识形态的表现；人的各种活动，无一不是释放势能的方式。

人类社会是一个庞大的生命体。当然她也会患病发烧，产生动乱或爆发战争。所以一旦社会危机积累到一定程度时，她即处于高势能状态。必须及时进行消除或者释放，否则后果可想而知。

四 关于引力和斥力

引力和斥力是两种效果相反的力。引力不光包括万有引力、分子间的凝聚力，还有容器的约束力；而斥力则不光包括分子间的排斥力，还有分子对容器的碰撞力、惯性离心力。斥力可以分解物体，使物质的分布范围扩大，分布变得均匀，使正势能变小；而引力则可以限制物质的分布范围，使物质的分布变得有序，凝聚成团，使负势能变得更小。

因为势能的零点是在无穷远处，所以在引力作用下所形成的体系皆呈负势能态。如太阳系，固体、液体、生命体等等都是。

万有引力的作用就像无形的容器，它可以使孤立的热系统具有确定的体积。

在引力场中，孤立的热系统有可能达到没有对流的静平衡状态。但在该系统内，各处的温度、密度和压强却不再处处相等，而是只有在引力场的等势面上还能保持处处相等。在引力线方向上，三个量都是：顺行增大，逆行减小。其变化规律遵循体积元在悬浮移动时绝热胀缩的规律。所以三个量只要知道一个在引力线上的大小变化，就可推知另外两个量的大小变化。不过因为三个量密切相关，相互影响，所以要想得知其中之一在引力线方向上的的变化规律也不是那么容易。

系统内的体积元在自由悬浮移动的过程中，始终遵循“能量守恒定律”。例如当体积元背着引力方向上浮时，压强减小，体积增大，温度降低，但它减少的内能全部变成了体积势能；而当体积元下沉时情况则正好与此相反。更何况当此处的体积元上浮的同时，别处的体积元将相应下沉。

在引力线方向上，物质的密度、压强变化人们都丝毫不会感觉奇怪；但是温度竟然也随之变化，这就让我们非常意外了：引力场竟然能够改变温度的分布！难道万有引力还能吸引温度？

在引力场内，温度难道能从低处传到高处？这真是大逆不道！如此以来，热力学第二定律岂不是要被推翻？

可事实就是如此。否则热系统的平衡将是极不稳定的，很容易产生对流。例如等温模型就是这样的。在这种系统内，假设物质的温度处处相等。可是当其中的体积元自由上浮时，它必然膨胀降温，然后再从四周吸热，从而降低了上边的温度，造成物质的下沉。这个过程将反复进行，直到温度分布符合绝热胀缩的规律为止。

如果热系统内的物质不能对流，呈固体状态，那么等温模型也不会稳定。里面的自由粒子（如电子等）会不停的搬运热量，使得引力线上的温度上端低、下端高，并达到一定的梯度。

在引力线上，当自由粒子移动一个微小距离时，那么引力做的功必须等于始、末端分子的平均动能增量。即   - m g dr = (3/2) k dT

- g dr = (3/2) (R/μ) dT

由此得   dT = - g dr / (3R/2μ)

比能够对流的气体温差要大。当气体的体积元沿着引力线绝热胀缩时，温差公式是

dT = - g dr / (5R/2μ)

否则，固体内的热传递也会不停的进行。

由此看来，在引力场中，热量从“低温处传到高温处”是确确实实能够发生的现象。这个过程并不违背能量守恒定律。因为自由粒子在进行移动的时候，其动能和势能之和始终保持不变；它在始、末端分别进行的热传递仍然是从高温到低温。

不光引力场，即便是惯性力场，它也能产生温差现象。例如在匀速转动的圆盘上，各处的惯性离心力就可以看作是保守力；沿着半径方向往外，势能将越来越小。

还有在磁场内的软铁，因为磁力的影响，所以温度分布应该是：越靠近磁极就越高。

对于流体，因为停止热传导的温梯和停止对流的温梯不同，所以静止的热平衡恐怕是永远不能实现的。当对流停止时，热传导不停止；所以等不到热传导停止，对流就又开始了。直到两者实现微妙的动态平衡才罢。缓慢的热传导和对流都将永不停息，我们的地球内部就是这样的。

综上所述，笔者认为：令人费解的“熵、焓”概念和“熵增原理”完全没有继续存在的必要。不论是从教科书中删除，还是教师不讲、学生不学、学而不会，都没有关系。有了“势能最低原理”和“能量守恒定律”，一切问题都能得到圆满解决。

我们现有的科学概念和理论，有许多地方学起来艰涩难懂，莫名其妙。所以下一步如何进行适当的整理改造，简化叙述方法，使之变得通俗易学，普及大众，这也是我们应予进行的研究任务之一。

（2019.12.27）