從“熱寂說”的提出到否定

【摘要】：“熱寂說”是熱力學第二定律的宇宙學推論，自從“熱寂說”的提出以來，。人們悲觀地認為世界的最終結果是“熱寂”。這引起了物理學以及科學領域中的軒然大波以及科學界和哲學界一百多年持續不斷的爭論。由于涉及到宇宙未來、人類命運等重大問題，因而它所波及和影響的范圍已經遠遠超出了科學界和哲學界，成了近代史上一樁最令人懊惱的文化疑案。以恩格斯為代表的很多人對“熱寂說”持批判態度，認為“熱寂”是不可能實現的。而真正對熱寂致命的否定在于宇宙大爆炸理論的提出。本文就這個過程做一個綜述，以供對“熱寂說”的進一步研究。

【關鍵詞】：熵;熱寂;開爾文;克勞休斯;熱力學定律

一、熱力學第二定律與“熵”的提出

熱力學第二定律（the second law of thermodynamics），熱力學基本定律之一，內容為不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響;不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響;不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。首先，魯道夫·朱利葉斯·埃曼努埃爾·克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）認為熱量不可能自發地從低溫物體傳到高溫物體，即熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。其次，開爾文（Kelvin）認為，不可能從單一熱源取出熱量使之全部轉化為功而不發生其他影響。這就表明熱永遠都只能由熱處轉到冷處（在自然狀態下）。熱力學第二定律是關于在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。它不能從其他更普遍的定律推導出來，但是迄今為止沒有一個實驗事實與之相違背，它是基本的自然法則之一。

在熱力學第一定律問世后，人們認識到能量是不能被憑空制造出來的，于是有人提出，設計一類裝置，從海洋、大氣乃至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能作為驅動永動機轉動和功輸出的源頭，這就是第二類永動機（perpetual-motion machine of the second kind）。法國工程師卡諾和美國人約翰·嘎姆吉分別于1820年和1881年設計了卡諾熱機和零發動機，然而未能成功。熱力學第二定律的提出宣判了第二類永動機的死刑，而這一定律的表述方式之一就是：第二類永動機不可能實現。

熵（entropy）指的是體系的混亂的程度，熵由魯道夫·克勞修斯（Rudolf Clausius）提出，并應用在熱力學中。熵用S表示，從微觀上說，熵是組成系統的大量微觀粒子無序度的量度，系統越無序、越混亂，熵就越大。熱力學過程不可逆性的微觀本質和統計意義就是系統從有序趨于無序，從概率較小的狀態趨于概率較大的狀態。熵的增加就意味著有效能量的減少。每當自然界發生任何事情，一定的能量就被轉化成了不能再做功的無效能量。在孤立系統中，實際發生的過程總使整個系統的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分機械能不可逆地轉變為熱，使熵增加。熱量dQ由高溫（T1）物體傳至低溫（T2）物體，高溫物體的熵減少dS1=dQ/T1，低溫物體的熵增加dS2=dQ/T2，把兩個物體合起來當成一個系統來看，熵的變化是dS=dS2+dS1gt;0，即熵是增加的。

二、“熱寂說”理論的提出與宇宙熱寂恐慌

克勞休斯通過熱力學第二定律的研究提出了“熱寂說”。他認為，無論宇宙的能量怎么轉換（例如煤炭木材的燃燒）都是能量從混亂到穩定的過程。熵是永遠遞增的，也就是說，帶有能量的物體的混亂狀態一直在遞減。換一句話說，要把能量轉化為功，一個系統的不同部分之間就必須有能量集中程度的差異（即溫差）。當能量從一個較高的集中程度轉化到一個較低的集中程度（或由較高溫度變為較低溫度）時，它就做了功。更重要的是每一次能量從一個水平轉化到另一個水平，都意味著下一次能再做功的能量就減少了。比如河水越過水壩流入湖泊。當河水下落時，它可被用來發電，驅動水輪，或做其他形式的功。然而水一旦落到壩底，就處于不能再做功的狀態了。在水平面上沒有任何勢能的水是連最小的輪子也帶不動的。這兩種不同的能量狀態分別被稱為“有效的”或“自由的”能量，和“無效的”或“封閉的”能量。按照這個發展趨勢，世界上所有的能量終究會陷入一個寂靜的狀態，一切都會變的有秩序。熱量達到平衡以后，熱雖存在，但熱運動沒有了，宇宙就死亡，處于熱寂狀態。當整個宇宙都陷入熱寂的時候就是宇宙滅亡的時候。

這個理論的提出引起了當時人們巨大的恐慌和巨大的反響。雖說熱寂可能離我們很遠，然而其存在的可能性讓人們很悲觀。因為它是基于嚴謹的科學定律而預言的“世界末日”。這種世界末日的悲觀思想造成了19世紀歐美所特有的悲觀情緒，使很多人因此對社會進步感到悲觀失望，以致不僅自然科學家關心，人文學者也同樣關心。這樣，熱力學第二定律被視為墮落的淵藪。因為它斷言，一切都不免從有序走向無序，從整齊走向混亂。甚至更有人延伸說，熱力學第二定律表明人種將從壞變得更壞，最終都要滅絕。總之，在19世紀末，熱力學第二定律和由它導出的熱寂說，已成了社會聲譽最壞的科學定律。

三、反對“熱寂說”的主要說法綜述

恩格斯對熱寂說的批判。由于“熱寂說”涉及到宇宙未來和人類命運等重大問題，因而也引起了哲學界，尤其是馬克思主義哲學的深刻關注，一百多年來，恩格斯對“熱寂說”的批判產生了深遠的影響。 恩格斯認為，消失到宇宙中的熱必然會以某種方式重新聚集。他在其《自然辯證法》導言中，又從能量守恒與轉化的觀點出發，對熱寂說也作了精辟的分析和批判。恩格斯預言，即在一定條件下熵要增加，能量要發散，而在另外一些條件下熵要自發減少，能量要重新集中。其次，熱寂說以及熱力學第二定律研究的是小孤立系統，不能把有限的孤立系統推廣到整個宇宙。當然，堅持熱寂說意見的人認為，恩格斯的說法只是一種猜測，不能從物理學的角度說明熱量重新聚集的機制。而且，科學的任務就是不斷外推，不能把宇宙理解為孤立的系統。

玻爾茲曼（L.Bo—ltzmann）在1872年表示質疑。熱力學在局部范圍內是正確的，但它不是絕對的規律。他首先賦予熵的增加以統計解釋，按照這樣解釋熱平衡態總是伴隨有漲落現象，后者是不遵守熱力學第二定律的。在宇宙的某些局部可以偶然地出現巨大的漲落，在那里熵沒有增加，因此宇宙也就不可能產生熱寂，甚至還在減少，因此宇宙也就不可能產生熱寂。玻爾茲曼這種“漲落說”有一定的吸引力，但尚缺乏事實根據。天文學觀測表明，至今沒有任何有說服力的證據說明現在的宇宙是處在熱平衡態并存在著上下“漲落”。而且從邏輯上看，玻爾茲曼的“漲落說”實際上是把宇宙“熱寂”已經放在他的前提中了，因而他首先承認“漲落”是在平衡態附近發生的。而對于任何“漲落”，不論它有多大，最后必然會消失，重新回到平衡狀態。

麥克斯韋（J.Maxwell）在1871年以“麥克斯韋妖”給熱力學第二定律提出了一難題。他設想：一個容器分為A和B兩部分，中間有一小孔，有一個小精靈能打開孔道，使快分子從A跑到B，慢分子從B跑到A，這樣就在不消耗能量的情況下，使B溫度升高，A溫度下降。這樣一來，熱量自動從低溫部分傳向高溫部分，系統的熵降低了，熱力學第二定律受到了挑戰。人們稱這個小精靈為“麥克斯韋妖”。直到一百多年后，匈牙利物理學家西拉德揭開了“麥克斯韋妖”之謎。1929年他指出：麥克斯韋妖有獲得和儲存分子運動信息的能力，它靠信息來干預系統，使它逆著自然界的自發方向進行。1951年布里淵更明確指出，妖精要識別分子，它必須有一個溫度與環境不同的微型光源去照亮分子，這就要輸入能量，按現代的觀點，信息就是負熵，正是麥克斯韋妖將負熵輸給了系統，才降低了系統的總熵。麥克斯韋妖正是以此為代價，才獲得了所需要的信息（即負熵）的這額外的熵的產生，補償了系統里熵的減少，從而引起熵的增加。他由此斷言妖精是不存在的。

四，另一種反對“熱寂說”的說法

地球對正負電子對的阻礙作用使得正負電子對的速度不斷變慢，當速度小到某一限度，正負電子對會在地球內凝結成最簡單的元素——氫。由于氫原子是一個一個地生成的，這一個一個的氫原子還沒有來得及結合成氫氣，因而它們必然是原子氫。原子氫的化學性質極為活潑，它在地球內部高溫高壓的條件下可發生一系列的熱核反應。這些熱核反應都是能釋放巨大熱能的。人們知道世界上氮和氧分別約占大氣成份的78%和21%，其它各種氣體只占大氣成分的1%。和大氣中其它氣體相比，氮和氧是非常特殊的。1938年，美國核物理學家貝特發表了氫通過碳——氮——氧循環而聚變的論文。這篇論文給加州理工學院凱洛格實驗室的核物理學家以極大的刺激，因為他們一直在從事這一課題的研究。年輕的福勒從1933年起就在這里研究碳——氮——氧循環中的第一個反應，進行碳核捕獲一個氫核形成氮同位素核氮7的實驗，還測量了碳核和氮核受質子轟擊的作用截面。他們的實驗研究定量地給出核反應中釋放的能量，提供了檢驗碳——氮——氧循環可行性的實驗依據。同時他們認為，只有在1500萬開以上的高溫條件下，碳——氮——氧循環核反應才能有效地進行。因此，只有在比太陽質量大很多的恒星上，這種核反應才成為提供能源的主要途徑，實現由氫到氦的聚變。大的天體中不斷有氫生成。因為在河外星系、銀河系、太陽、木星和土星上，氫元素含量和氦元素含量總是約3比1。恒星里的氫長久不衰，所有恒星上主要的核反應都是氫聚合成氦。因為氫是不斷地自動生成的，所以氫永遠也耗之不盡，用之不竭。恒星也因不斷吸收正負電子對而越來越大，大到一定的時候會形致密恒星。最后大量物質解體形成伽馬線暴，也就是形成超新星爆發后會分裂成小的星體和正負電子對，這些小的星體又會不斷吸收正負電子對逐漸增大形成為一顆新的恒星。因而恒星的整體永遠不會熄滅。也就是說宇宙永遠也不會熱寂。

暗物質，比電子更小的物質目前還無法直接觀察到，但人們并不懷疑它們的存在性。正負電子對不帶電性，人們一時還看不見它。也稱為暗物質。因此，在我們的宇宙中各向同性地分布著許多這種暗物質，它們是以很高的速度作直線運動。暗物質的存在終于在天文學上得到證實。人們根據光度定出的質量總比根據力學定出的質量要小得多。因此，一定存在著大量有力學效果而不發光的暗物質。例如，根據星系周圍的物質轉動曲線，發現宇宙大尺度范圍內存在暗物質。計算表明，銀河系的總質量至少比光學區的質量大10倍，即銀河系的質量中至少有90%是屬于暗物質。所有恒星上主要的核反應都是氫聚合成氦，所謂的氦聚變為碳、碳聚變為氧和鎂、氧聚變為氖和硫、……。最后全部變成鐵的核反應統統都不存在。因為至今還沒有發現一顆恒星含有大量的碳、氧、鎂、氖、硫、和鐵的。氫在不斷地生成著，氫永遠也耗之不盡，用之不竭，同時恒星崩潰形成超新星爆發后會分裂成小的星體和正負電子對，這些小的星體又會不斷吸收暗物質逐漸增大形成為一顆新的恒星。因而恒星的整體永遠不會熄滅。也就是說宇宙永遠也不會熱寂。因此，不難理解宇宙中散逸的熱變成正負電子對的自由能，這些自由能又在恒星中重新集中起來變成熱，這一過程的不斷重復，就是熱的無限循環的動態平衡。

參考文獻：

[1] 尹世偉，郭慶偉等.從熱機到熱寂——熵的起源與發展[J].大學化學，2011（1）.

[2] 沈驪天. "熱寂與發展──跨世紀的論戰[J]. 自然辯證法研究. 1994（11）

[3] 鄧昭鏡，袁靜平. "“熱寂論”、熱力學第二定律的局限性和負溫度系統[J]. 西南師范大學學報（自然科學版）. 2001（06）

[4] 郝寧湘. "黑洞與熱寂[J]. 內蒙古大學學報（人文社會科學版）. 1998（05）