| 热力学佯谬 | |
| 作者：常朴子 文章来源：本站原创 点击数： 82 更新时间：2007-12-23 | |
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●除了我们已认识到的两大宇宙学佯谬外，还有同热力学第二定律直接联系着的热力学佯谬，亦即宇宙热寂说。 我们知道，在自然界中一切自发的自然过程都是不可逆的过程。物体可以从自发地冷却却不能自发地炽势。这就说明，任何自发的自然过程只能有一种方向，而不能同时又有相反的方向。打个比方说，一个人的双脚在同一时间的区域里，只能把它的主子带到一个目的地，而不能使主子同时到达相背或相异的两个地方。我们早已知道，法国陆军工程师萨迪·卡诺在研究蒸气机的基本过程时发现了著名的卡诸定理：“所有工作于两个一定温度之间的热机，以可逆机的效率为最大。”显然可逆机只是一种理想机，事实上并不存在这种热机。一切热都是不可逆的，它们的效率都低于可逆机的效率，在工作时，必须耕费大量的热能。 克劳 胥斯和开耳芬对卡诺定理作了进一步的概括，提出了对一切热力学过程都有普遍意义的热力学第二定律。 它的表述为： “不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化（克劳胥斯）。” “不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不产生其他影响（开耳芬）。” 孙显元先生认为这两种表述虽然不同，但其内容是相同的，反映了在有限空间和时间内一切和热运动有关的物理的化学过程发展的不可逆性。这个定律亦称作熵的增加原理：在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统的熵的数值增大。 热力学第二定律所引入的“熵”的概念，同物质系统的运动状态是相互联系的，它是同系统状态有关的态涵数。在高温（T1）物体和低温（T2）物体之间，由于存在着温差，热量（△θ）就发生流动。在这个过程中，熵就被定义为：热量被温度除的商，若以S来表示熵的值，那么高温物体所减少的熵为 低温物体所增加的熵为 因为T1是高温，T2是低温，即T1>T2所以： 如果这两个物体构成一个系统，那么这个系统的熵是增加的，即△S2 －△S1>O。这个系统的运动状态是从不平衡到平衡。若是达到了平衡，那么系统的熵就达到了极大，这时这个系统就完全失去了运动转化的能力了。要使它重新运动起来，由平衡转化为不平衡，单靠系统自身的力量是达不到的，必须有外部的作用。但是谁能给于这种外部的力量呢？ 在这里我们又涉及到了循环过程中的可逆和不可逆的关系。孤立系统中的热力学过程，是不可逆的过程，表现为熵不减少。如果使过程向相反的方向转化，必须有外界的作用，这种作用，就是转化的条件，即可逆过程的条件性。在一切有限过程中，熵总是在增加，或不减少。熵增加得越大，系统的运动转化能力就变得越小，如果增加到极大，运动转化的能力也就丧失殆尽。这就是热力学第二定律所揭示的自然界的宏观过程的规律性，它对于微观世界，是不适用的，所以，这一规律虽然是一般规律，但在普遍性的程度上，受到一定的限制，同更普遍的规律比起来，还是一条特殊规律。正是这个原因，在这里就同样产生出了这一定律是否适用于无限宇宙的问题。就有限过程来说，至少还没有发现在遥远的宇宙空间，有违反热力学第二定律的现象。即然任何自发的过程，它的熵都要增加，最终达到 最大值，使整个系统实现热平衡，那么，全宇宙的熵是否也在不断地增加，从而最终达到最大值，使整个宇宙实现热平衡？如果是这样的话，那么，这时的宇宙，其中的一切运动都要停下来，从而也就进入了热寂状态。 克劳胥斯最早提出这样的想法，他说：“在宇宙中进行的无穷多样的变化遵守一个规则，方向相反的转化并不总是以等量出现，而总是在一个确定的方向上有差别，使正的转化超过负的。由此推出，宇宙的状态一定逐渐地越来越向一定的方向转化。”（克劳胥斯：《关于热力学第二定律》载《自然科学争鸣》1975年第二期） 这个所谓“向一定方向变化”的具体意义是指：“宇宙的熵趋向于极大。”这样，宇宙也就最后完全达到了这样的一个状态，这时，任何进一步的变化都不会发生了，这个状态，就叫“死寂的永恒状态。” 我们应该承认热力学的第二定律是正确的，而且是普遍适用的（当然，它有自己的适用条件）。但是，宇宙热 寂的结论却是错误的，它肯定了宇宙在时间上的有限性，与宇宙的无限模型处于尖锐的矛盾之中。这就是宇宙学的热力学佯谬。 对于无限的宇宙，原则上是不能应用熵增原理的，因为熵函数是一个状态函数，它只是对一个处于平衡状态的物质系统才有确定的意义，而且只有经过绝热过程，物质系统从一个平衡状态出发达到另一个平衡状态时，熵才不减少。因此熵增原理适用的基本条件之一，是过程的初态和终态都是平衡态。如果将熵增原理就应用于无限的宇宙，那么，就应该把无限的宇宙看作孤立系统，并且它的开端和终结都是一个平衡态。实际上，这就把无限的宇宙有一个开端（平衡态）和一个终结（平衡态），默默 作了前题。 但是，这个前题本身包含有不可克服的逻辑矛盾。如果宇宙的开端是一个平衡态，它应该和终点一样，是冷却的，只要我们彻底地坚持唯物主义的立场，就得承认这个冷却的开端是由物质本身的原因而炽热起来的。就是说，这个平衡被宇宙本身的运动打破了，开始了新的运动演化。既然开端能够从平衡中运动起来，那么，终点的平衡又为什么不能被打破，又重新运动起来呢？反过来说如果承认终点的平衡是绝对的，不可打破的，那么，开端的平衡也应该是绝对的，不可打破的。这样一来，宇宙能否从冷却的起点运动起来，就值得怀疑了。 象孙显元先生所表述的一样，恩格斯正是这样提出了问题，他说：“宇宙钟必须上紧发条，然后才走动起来，一直达到平衡状态，而要使它从平衡状态再走动起来，那只有奇迹才行。”（《马克思恩格斯全集》第20卷，第629页）只要承认无限的宇宙有热寂的终点，那么，无论如何是不能把上帝赶走的。这是说宇宙钟的发条是离不开上帝操作的。因此，当克劳胥斯把热力学定律表述为“宇宙的能量保持不变，宇宙的熵超于极大值”这样两个宇宙的基本定律时，恩格斯就揭露了他的错误，指出如果宇宙达到了热寂状态，又使它重心运动起来，那么，就要外来的推动，这就使宇宙的运动在数量上增加了。“因此，宇宙中存在的运动或能的量不是永远一样的，因此，能必定是创造出来的，因而是可以创造的，因而也可以消失的。”（《马克思恩格斯全集》第20卷，第629页）这样，热寂说倒成了名符其实的宇宙学佯谬。 | |
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