熵与宇宙耗散.PDF

熵与宇宙耗散 熵与宇宙耗散 化学与分子工程学院2007级 宋子元 惠静姝 李力一 孙轶伦 摘要：热寂说作为一个世界性的疑案，困扰这个世界已经一个多世纪。本文以热力学发展史 为主线，重点介绍了熵的概念以及非平衡态热力学的耗散结构理论，并借此讨论了对热寂论 的几种批驳观点。通过这些介绍，可以看到我们的理论正在逐步摆脱理想化的模型与假设， 一步一步走近真实的宇宙。 关键词：热寂说，熵，非平衡态热力学，耗散结构 逝者如斯夫，不舍昼夜。 ——《论语·子罕篇第九》 天地间万物莫不有生死。恒星在光芒中释放着核能，行星在燃烧和碰撞中化 为混沌，人类在安享地球亿万年积累的矿藏带来的文明。不可逆的时间推动着宇 宙走向混乱，那似乎是它命中注定的混乱。时间逝于无形，宇宙难道终将热寂么？ 1 宇宙将要热死？ 1.1 热寂说的提出 “在现今，在物质世界中进行着使机械能散失的普遍趋势……除非采取或将 采取某些目前世界上已知的并正在遵循的规律所不能接受的措施，否则地球必将 开始不适合人类像目前这样居住下去。” ——[英]开尔文勋爵(Lord Kelvin 即威廉·汤姆逊) “在所有一切自然现象中，熵的总值永远只能增加，不能减少……宇宙的熵 力图达到某一最大值……宇宙越接近这个极限状态，宇宙就越消失继续变化的动 力，最后当宇宙达到这个状态时，宇宙就不能再在发生任何大的变动，这时宇宙 将处于某种惰性的死的状态中。” [德]克劳修斯(R.Clausius) “第二定律意味着整个宇宙最终将处于温度均匀的状态……” [德]亥姆霍兹（H. Helmohotz ） 伴随着热力学第二定律的诞生，一种消极的论调——热寂说的提出也在社会 上引起极大的轰动，因为它是基于严谨科学预言的世界末日。 1.2 早期对热寂说的驳斥 1.2.1麦克斯韦与麦克斯韦妖 首先对“热寂说”提出诘难的是麦克斯韦(J.Maxwell)。1871 年，他设计了 一个假想的存在物--“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个 分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。这个设计方案如下：“我们知道，在 一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度绝不均匀，然而任意选取 的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在让我们假定把这样一个容器 1 熵与宇宙耗散 分为两部分，A 和 B，在分界上有一个小孔，在设想一个能见到单个分子的存在 物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从 A 跑向 B，而慢分子从 B 跑向 A。 这样，它就在不消耗功的情况下，B 的温度提高，A 的温度降低，而与热力学第 二定律发生了矛盾。”麦克斯韦认为，只有当我们能够处理的只是大块的物体而 无法看出或处理借以构成物体分离的分子时，热力学第二定律才是正确的，并由 此提出应当对热力学第二定律的应用范围加以限制。 尽管麦克斯韦既没有实现也没有提出任何实际的实验来检验他的假说，但这 个“热力学第二定律的破坏者”却困扰了科学界一百多年，成为科学家诘难热力 学第二定律并进而反对“热寂说”的著名假想实验。 1.2.2玻尔兹曼与“涨落说” 在“热寂说”提出后的数十年中，玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)的“涨落说” 是 对其构成最大挑战的科学假说。玻尔兹曼在对气体分子运动的研究中，最先对熵 增加进行了统计解释。按照这种解释，热平衡态附近总存在着偶然的“涨落”现象， 这种涨落现象并不遵从热力学第二定律。由此，玻尔兹曼将气体分子运动论的观 点推广到宇宙中，认为整个宇宙可以看成