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一个能彻底否定热寂说的新观点 一、热寂说的提出 1865年由德国物理学家克劳修斯(Clausius，R.E.1822～1888)提出了“熵增加原理”。“熵”是决定于系统的热力学状态的物理量，一个系统经过一个绝热过程由一个态变化到另一个态的时候，它的熵永不减少，这就是熵增加原理。这种演化是物理学的最基本的定律，它体现着能量从集中到耗散，从有序到无序。 热力学发展的初期，克劳修斯和开尔文（LordKelvin）等人，把热力学第二定律滥用于整个宇宙，得出荒谬的“宇宙热寂论”，认为整个宇宙都发生着熵增加，最后整个宇宙将会达到热平衡，熵值达到最大，温度差消失，压力变为均匀，所有的能量都成为不可再进行传递和转化的束缚能，整个宇宙都陷入停止变化、停止发展的状态。克劳修斯预计宇宙将在1867年发生热寂。 在19世纪，能够认识到热寂论谬误的科学家寥寥无几。只有波耳兹曼（L.E.Boltzman）和麦克斯韦（J.C.Maxwell）两人。 二、与热寂说相抗衡的一些事实 1、生命过程 早在1866年，玻耳兹曼就注意到生物的生长过程与熵增加相拮抗的事实。他说：“生物为了生存而作的一般斗争，既不是为了物质，也不是为了能量，而是为了熵而斗争。植物铺开了它的面积大得不可计量的叶片，以一种尚未探明的方式，迫使太阳去完成我们在实验室中不知道如何完成的化学合成。” 1944年，著名的物理学家薛定锷（E.Schrodinger）提出了“生物赖负熵为生”的名言。他说：“要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断地吸取负熵。 2、“麦克斯韦妖” 麦克斯韦也模模糊糊、隐隐约约地意识到，自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他当时无法清晰地说明这种机制。他只能假定一种“类人妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。这就是1871年出现的有名的“麦克斯韦妖” 3、伯纳德花纹 1900年，法国的伯纳德(Bernard，Henri)首次发现了蜂巢状的自组织花纹。当两种气体的混合体由于加热而离开平衡态后，组织便会以一种简单浓度梯度的形式出现。如盛有氢气和硫化氢气体混合物的容器，使两端产生并保持一个很小的温度差，就会发现两种气体将逐渐分离，较轻的氢气多流向较热的一边，较重的硫化氢气则多聚集于较冷的一边，形成了各自的浓度梯度。这个现象表明，在不可逆的非平衡态过程中，可以产生出有序性。 4、化学振荡 布雷(Bray，William)、图灵(Turing，Alan)、别洛索夫(Be-lousov，B.P.1893～1970)等人先后发现了化学振荡。虽然化学振荡谈不上具有一个可以变异、可以演化的遗传系统，但它有不少特点：诸如化学的新陈代谢，自我组织的结构，有节奏的活动，在某些极限以内的动态稳定，在这些极限以外的不可逆的解体，一个自然的寿命等等。 5、耗散结构 本世纪40年代，普里高津（I．Prigoging）提出的耗散结构理论。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。 6、黑洞 宇宙中散逸的辐射怎样才可以重新集中起来呢？许多人认为，在黑洞中集结起来的能量不一定是束缚能，而是可能转化和重新活动起来并释放出去的自由能。从外部供给黑洞的可以是高熵的质能，而黑洞的吸积和质能转化却可以把它们变成低熵的质能。从某种意义上来看，黑洞本身是可能产生负熵的，它并不需要从外部获得负熵流。阿西莫夫（I．Asimov）说：“在黑洞里，热力学第二定律被颠倒过来了，因而尽管宇宙的大多数区域是在衰亡，但黑洞里却在逐渐复兴。” 黑洞能导致宇宙的局部收缩，但还不足以与整个宇宙的膨胀相抗衡。宇宙膨胀是由宇宙大爆炸开始的，宇宙大爆炸通常被看作是宇宙熵增的本原。因此，要最终解决热寂论的问题，还必须找到宇宙收缩的机制。只有找到导致宇宙收缩的原因，宇宙热寂论的最后阵地才能被攻破了。但是人们无法找到导致宇宙收缩的原因，而且宇宙里是否真的有黑洞还有争议，实际上发现的黑洞似乎又太少了。 7、宇宙坍缩 如果宇宙不是开放的，膨胀最终会停止下来，并且使所有的物质不可抗拒地回聚在一起，成为一个最终的奇点。果真如此，宇宙就是以大爆炸开始，而以大坍缩终结。在膨胀过程中，高度有序的大爆炸奇点，指向某种无序性最大的中间态；然后当宇宙开始向大坍缩——它看上去和大爆炸是同样高度有序的——收缩时便反转过来，即出现时间逆转的现象。这个看法受到了彭罗塞(Penrose，R.)的反驳。彭罗塞认为，即使在大坍缩的过程中，熵也是不断增加的，时间箭头依然不变。因为，“大爆炸”和“大坍缩”这两个宇宙奇点的结构是不等价的，即不对称的。当然，彭罗塞的这些看法，还只是一种有价值的猜想。 三、宇宙热寂论是至今没有解决的一大疑难问题 由于麦克斯韦妖只是一种猜想，当然不可能解决宇宙热寂论的问题。玻尔兹曼所说的绿色植物进行光合作用与熵增加相拮抗，则要求从阳光输入更多的负熵，也就是说，是以太阳的更大的熵增加为代价的。伯纳德花纹、化学振荡、耗散结构等，都依赖于从环境输入负熵而产生有序，因此，这种有序化是以环境中更大的熵增为代价的。如果把它们与其环境整个看成一个系统，那么这个系统是仍然要产生熵增加的。同时，它们也远远不足以与宇宙中极其巨大的熵增加过程相抗衡。至于黑洞和宇宙坍缩也没有统一的认识。尽管人们指责热寂说忽略了热力学第二定律的附加条件，把热力学第二定律滥用于整个宇宙。但是并没有任何人能从正面说明宇宙不会热寂的道理。于是，宇宙热寂论成了19世纪的自然科学留给20世纪的一大疑难问题。 恩格斯早就说过：“只有指出了辐射到宇宙间的热怎样变得可以重新利用，才能最终解决这个问题。”同时，恩格斯还明确地预言：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种形式，在这种运动形式中，它能够重新集合和活动起来。” 四、宇宙中散逸的热是怎样重新集中起来的 散逸到宇宙中的热是怎样重新集中起来的呢？事实证明，仅从原子和分子这个层次上，是无法解决这一问题的，我们必须把眼光扩大到暗物质和恒星这两个层次上才行。 1、 暗物质 从所掌握的资料来看，物质结构有一个重要的特点，那就是物质以不同的层次分布，这种分布是不连续的。目前，从微观上通常认为可分为分子、原子、原子核和电子所构成的微观层次，物质的层次是互相联系和无限可分的。任何一个物质层次无不都是上有更高的层次，下有更深的层次。层中有层，层层相联。任何一个物质层次只是无穷层次系列中的一个“关节点”，从而形成层次的等级性。某个层次总是由下一个或下几个层次所组成。比电子更小的层次目前还无法直接观察到，但人们并不怀疑它们的存在性。只好称为暗物质。因此，在我们的宇宙中各向同性地分布着许多这种暗物质，它们是以很高的速度作直线运动。 暗物质的存在终于在天文学上得到证实。人们根据光度定出的质量总比根据力学定出的质量要小得多。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。例如，根据星系周围的物质转动曲线，发现宇宙大尺度范围内存在暗物质。计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。 2、恒星演化 恒星发出的能量来源于核反应。德国的魏茨泽克和美国的贝特认为，可能存在以下两种核反应使氢转变为氦。 1）、质子——质子反应。 这个反应分三个步骤：第一步是两个质子碰撞，放出一个正电子和一个中微子形成氘；第二步是由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦3；最后一步是由2个氦3碰撞形成氦核，最后一步是由2个氦3碰撞放出两个质子形成氦核，最终完成由氢核聚变为氦核的反应。这三个核反应都是放热反应。这一连串的反应过程，共有6个质子参与，最后形成1个氦核、2个质子、2个中微子、2个正电子和2个光子。同时释放24.158电子伏的能量。 2）、碳——氮——氧循环 首先由碳核和一个质子碰撞，质子打入碳核使之变为氮的同位素 N(7,13),它是放射性的，很快放出正电子和中微子形成碳的同位素C(6,13),它和质子反应生成氮核。新的氮核和质子相碰撞形成氧同位素O(8,15), O(8,15)也是放射性的，它放出一个正电子和一个中微子后衰变成氮的同位素N(7,15);最后，N(7,15)和一个质子碰撞形成碳核和氦核。 这一系列的反应也都是放热反应，因此，只要有足够多的质子，就可以成为稳定的能源。碳——氮——氧循环的结果是4个质子合成一个氦核，同时产生2个正电子、 2个中微子和3个光子，释放出25.03兆电子伏特的能量。参与反应的碳元素在核反应前后没有发生任何变化，而氮、氧同位素只是在中间过程中产生又消失。 人们认为，当恒星里的氢耗尽后核反应会一个接着一个，氦聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、……..最后全部变成铁。然后恒星会崩溃而形成超新星爆发。 然而，除了氢聚变为氦，后面的核反应是不符合观察的事实的。 根据光谱分析，从天体的尺度看，氢与氦是最丰富的元素，两者之和占总质量的99％，其余的元素仅约占1％。对宇宙学特别有意义的是，在许多不同种类的天体上，例如在河外星系、银河系、太阳、木星和土星上，氢元素含量与氦元素含量之比竟是大体相同的，即二者质量之比约为3比1，不仅如此，赫罗图上早期的红巨星的晚期的白矮星全都是这样。 在这里我们提出以下四个问题： 1）、既然恒星里的氢耗尽后核反应会一个接着一个，氦聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、……..最后全部变成铁，为什么在众多的恒星里氢元素含量与氦元素含量之比都为3比1，在晚期的恒星中，为什么至今没有发现一颗恒星只含有少量的氢或含有大量的碳、氧、镁、氖、硫、和铁？ 2）、众多的恒星里氢元素含量与氦元素含量之比为什么都为约3比1？ 3）、恒星里的氢为什么不象氢弹一下子炸光？而是慢慢地聚合成氦？ 4）、恒星里的氢长久不衰，它是如何产生的和源源不断补充的？ 3、分析与综合 根据上述的证据综合分析如下： 1）、大的天体中不断有氢生成。因为在河外星系、银河系、太阳、木星和土星上，氢元素含量和氦元素含量总是约3比1。恒星里的氢长久不衰，没有源源不断的补充是不可思议的。所有恒星上主要的核反应都是氢聚合成氦，所谓的氦聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、……..最后全部变成铁的核反应统统都不存在。因为至今还没有发现一颗恒星含有大量的碳、氧、镁、氖、硫、和铁的。氢在不断地生成着，氢永远也耗之不尽，用之不竭，因而恒星的整体永远不会熄灭。也就是说宇宙永远也不会热寂。 2）、我们认为，银河系、太阳、木星和土星俘获的空间暗物质聚合成氦后，热核反应开始变成可逆的，即氦可以裂变为氢，这是一个吸热反应。二者达到动态平衡后氢和氦的质量之比约为3比1。因为不断地有氢生成，也就是反应物的浓度在增加，总的来看，反应会沿着正向进行，新生成的氢中只有约25%聚合成氦。这就是占太阳质量约75%的氢为什么不一下子反应完，而是缓慢地进行的机理。不管太阳燃烧了多少亿年，其中氢和氦的丰度基本上保持不变。其它的星系、恒星或质量达到一定大小的星体，如土星和木星也是这样。 我们只要把氢或氦在隔绝其它元素的情况下，放入类似于星体的高温高压环境中，等到反应完成后，测出氢和氦的比例，这一过程就可证实。一旦人们普遍地实现了把氢转变为氦的热核反应，就无异于得到了取之不尽、用之不竭的能源。因此，这一猜想是可以用试验证明的。 4、宇宙中散逸的热是怎样重新集中起来的 天体中不断有氢生成并不是无中生有。它是由暗物质生成的。暗物质在恒星中受到足够的阻碍速度变慢到一定的程度以后会相互凝聚成最简单的原子氢，原子氢的化学性质极其活泼，相互聚合成氦而放出巨大的核能。（我认为并不需要质子——质子反应和碳——氮——氧循环那么复杂）。因此，暗物质在质量足够大的星体中会转变为“明物质”——氢。这也从另一角度说明，暗物质至少是比电子更小和更深层次的粒子。暗物质并不遥远，它就在我们身边。 请注意，暗物质相互凝聚成最简单的原子氢和原子氢相互聚合成氦的过程是从无序到有序的过程，也是一个放热的过程。在这一过程中，是暗物质和原子氢所含有的自由能变成热能，从而这一热能是负的（把消耗的热能看成的，产生的热能就是负的，消耗了一个负的热能，就是产生了热能），也就是说在这一过程中产生了大量的负熵S=-Q/T。这些负熵与宇宙中极其巨大的熵增加过程相抗衡便足足有余了。 同时，这一过程是自发进行的，它不会对环境产生任何影响，不会使环境产生更大的熵增。唯一有影响的是暗物质减少了。有人会问，当暗物质减少到0，这一过程不是终结了吗？ 当然不会发生这种情形，因为我们只说了一半，还有熵增过程没有说。熵增的过程是由有序变无序的过程，恒星中产生出来的热，最终会使氢等明物质重新还原成暗物质而完成一个循环。 不难理解宇宙中散逸的热变成暗物质的自由能，这些自由能又在恒星中重新集中起来变成热，这一过程的不断重复，就是热的无限循环的动态平衡。 五、宇宙为什么不会热寂 认为整个宇宙都发生着熵增加，最后整个宇宙将会达到热平衡，熵值达到最大，温度差消失的观点显然是错误的。因为整个宇宙都发生着熵增加是不符合事实的，恒星中的暗物质变成明物质的过程就是熵减的，从而宇宙将永远不会达到热平衡，熵值不会达到最大，温度差永远不会消失，宇宙当然就不会热寂了。 其实，热寂说是热的静态平衡，而宇宙实际上是热的动态平衡。热能主要产生于恒星，在那里暗物质变成明物质，氢聚变为氦，产生负熵，自由能变成热能；这些热能在宇宙间产生正熵，明物质又逐渐变成暗物质，热能变为自由能。 只要你抬头仰望满天永不熄灭的繁星，你相信热寂说吗？ |