热力学第二定律的局限性与对热寂说的反驳_热力学第二定律反驳

摘自冯青《工程热力学》
开尔文和克劳修斯在热力学第二定律的建立中做出了重大的贡献，但他们却把热力学第二定律做了不适当的推广，先后在1862年和1867年提出了错误的“热寂说”。他们把整个宇宙当做一个经历一系列连续变化的孤立系统来研究，并根据熵增原理得出结论：认为热总是不断地从高温物体传向低温物体，功总是自发地转变为热。这样，经过足够长的时间后，宇宙中的能量将由于不断贬值终于失去转化为其他能量的能力；这时，宇宙的温度将趋于一致，宇宙的熵趋于最大值，一切运动都将停息，宇宙将变成静止的热死亡的状态。这即是所谓的“热死论”或“热寂说”。
这一论断的令人懊恼之处在于：它指出了宇宙的末日—就是熵达到极大值的状态，无论在理智上还是感情上都给人以强烈的震撼。它的出现曾引起国际科学界和哲学界的极大关注和争论，所波及和影响的范围实际上已经远远超出科学界和哲学界，成为近代史上一桩最令人关注的文化疑案。这种争论至今已延续140多年，而且在科学上也很难用观察和实验做出最终的判决。我们认为这个论断是错误的，理由如下：
(1)首先，从哲学上看，如果承认了这个说法，就会得到“上帝创造世界”的结论。因为如果整个宇宙一直向着温度均匀一致的方向进行，那么它现在温度不平衡的状态是怎样产生的呢?答案就只能归结为一种不可知的“原始推动力”。恩格斯一开始就非常关注“热寂说”，对其进行了严厉的批判。1875-1876年在《自然辨证法》中写道：“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)转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。”。按照辨证唯物主义的基本原理，宇宙中导致物质和能量逸散的过程和能量集中的过程不可分割地联系着。在一定条件下熵要增加，能量要发散，而在另一些条件下熵会减少，能量要集结。许多科学家也正是沿着这一思路，期望着能揭示这个规律，麦克斯韦提出的麦克斯韦妖就是一个著名的例子。但不幸的是，麦克斯韦妖不能颠覆热力学第二定律。
(2)从科学方法的角度看，“热寂说”的根本错误在于它没有真正了解热力学第二定律的适用范围。热力学第二定律是从有限的、宏观的环境中总结出来的规律。所谓“有限”是指时和空间有限。即我们所经历的时间与宇宙发展所经历的时间相比极为短暂，我们所处的空间与宇宙空间相比极为小，我们没有任何理由把它推广到在时间和空间上都无限的整个宇帆中去，有眼到无，不仅在数上存在巨大的考异，而且在性质上也有根本的不同，这是一个从“影到质变”的飞跃过程。比如孤立体系熵增原理只适用于孤立体系，但孤立体系是一种完全脱
了外界环境的系统，是对真实世界的理想的抽象。而真实世界中的事物都是有联系的，根本不存在绝对的孤立体系，孤立体系只能在一个小的空间范围内和短时间内近似地得到例如，只暖水瓶系统在不太长的时间内可以当做孤立体系，但并非真正的孤立系，当时间很长时(~
天或一星期)，它与外界的换热就不能忽略。20世纪以来，天文学和天体物理学的发展表明，不论是爱因斯坦(Albert E inst， 1879-1955) 的宇宙有限无边模型， 还是弗里德曼(A.A.
Friedmann，1888-1925) 根据爱因斯坦引力方程的宇宙方程， 按近几十年确定的宇宙平均密
度和哈勃常数，得出宇宙无限无边模型，都难以得出宇宙是一个孤立系统。所谓“宏观”指的是热力学定律反映的都是大量分子的统计平均特性，不能把它运用到微观领域。比如由大量
分子组成的气体，向真空膨胀的过程是不可逆的自发过程，符合热力学第二定律，但如果只有两个分子，则两个分子可能分别在容器的A侧或B侧(均布)，但也有可能同时出现在一侧，这是热力学第二定律解释不了的。实际上，在微图4.35两个分子的系统观世界中，分子的行为只能用量子力学解释。早在1872年，玻耳兹曼就提出“涨落说”，认为热平衡总伴随有涨落现象，即状态参数在平均值附近飘忽不定地变化的现象。涨落是不遵守热力学第二定律的。“涨落说”告诉我们，一个达到热力学平衡的系统，从宏观上看是平衡的，系统不随时间变化；但从微观上看，局部又是非平衡的，如果认为有序是从非平衡中产生的，那么就可以在不违背热力学第二定律的情况下解决自然界的有序和无序的问题。因此，他认为，宇宙
的有序状态是由一些对平衡状态的偏离之间的协作造成的，可能在宇宙的某些局部偶然地出
现巨大的涨落，在那里熵没有增加，甚至减少了。这在一定程度上驳斥了“热寂说”。因此，一定要注意定律的应用条件和范围，特别是对热力学第二定律的局限性要有充分的理解。
(3)从自然科学本身的角度看：
1)如果热力学第二定律绝对适用而能导致“热寂说”的话，就意味着从实质上消灭了热力学第一定律。热力学第一定律反映了两个方面的问题，其中之一是热能与其他能量之间能相互转换。如果宇宙达到死亡状态后能量不再相互转化。热力学第一定律将失去意义。
2)近年来科学的发展已经揭示了为什么现实的宇宙并没有热死的奥秘。其关键之处在于一是宇宙在膨胀，二是引力系统的负热容不稳定性。
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，由高温高密的物质与能量的“大爆炸”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，逐渐行生成众多的星系、星体、行星等，至出现生命。字训大炸理论是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。宇宙膨胀的原因是由于引力的作用。在不考虑引力的经典热力学中，加热则系统升温，冷却则系统降温，热容量是正值。面在一个自引力体系申情况刚好相一反，加热则系统变冷，放热则系统开。热容业是价们。在一个系统中，如果同时存在正热容物体和负热容物体，那么这个系统就具有极大的不稳定性。稍有扰动，平衡就会遭到彻底破坏而产生温差。只要有自引力体系存在，原则上就不存在稳定的热平衡。从概率的角度看，对于引力系统，密度均匀态的概率并不是最高的，宇宙中均匀物质凝成团块(星系、恒星等)的过程中引力势能转化为动能，从均匀到不均匀，位形空间里的分布概率减少了，但温度上升，速度空间里的分布概率增加了。两者相抵，总概率是增加的。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，熵的增加是无止境的，永远都没有极大值，因而宇宙就永远不可能达到“热寂”状态。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”。可以说，“热寂说”作为历史的一页，已被翻过去了!
然而，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。在大爆炸理论看来，宇宙的未来完全取决于宇宙密度是小于还是大于某个临界值。如果宇宙密度小于临界值，表明宇宙是膨胀的，并且一直膨胀下去。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”。如果宇宙密度大于临界值，表示宇宙起初膨胀，到达一定时刻后，就将转为收缩。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。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。
由于这一理论也不符合人们的期望，因而从它提出之日起同样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，生命或许能够发展到整个宇宙。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。无论如何，人类不会甘心坐以待毙，而科学也将一如既往地走自己的路，总有一天会给人类一个明晰的答案。