宇宙的“热寂”

热力学第二定律从一个侧面表明了自然界里某些区域过程的不可逆性，这在物理学理论的发展中是一个重大的进步。但是汤姆逊、克劳修斯等却把这个定律外推到整个宇宙，得出了宇宙“热寂”的结论。

汤姆逊在 1852 年发表的论文——《论自然界中机械能散失的一般趋势》中，从他所提出的原理导出结论：在自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度趋于平衡，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到“热寂”状态。

1865 年，克劳修斯又同样写道：“如果在宇宙发生的全部状态变化中，一个确定方向的变化在量上总是超过相反方向的变化，那末宇宙的全部状态必定愈来愈多地按第一种方向变化，因而宇宙必然逐渐趋于一个终态。”在这篇论文的结尾，他利用能和熵这两个概念，非常精练地把热的动力理论的两条基本原理表述为：“宇宙的能量恒定不变”，“宇宙的熵趋于一个极大值”。1867 年，在《关于热的动力理论的第二原理》的演讲中，他又进一步提出：“我们应当导出这样的结论，即在所有一切自然现象中，熵的总值永远只能增加，不能减少。因此，对于任何时间、任何地点所进行的变化过程，我们得到如下所表示的简单规律：宇宙的熵力图达到某一个最大的值。”他继续说道：“宇宙越接近于其熵的最大值的极限状态，它继续发生变化的可能就越小；当它最后完全到达这个状态时，也就不再出现进一步的变化了，于是宇宙就将永远处于一种惰性的死寂状态。”在克劳修斯看来，宇宙现在处于不平衡状态，而任何不平衡状态总是要在有限时间内达到平衡状态的。随着熵的无限增加，一切其他的运动形式（机械的、光的、电磁的、化学的、生命的）都将最终转化为热运动，热量又不断从高温处向低温处放散，最终达到处处温度均衡，于是宇宙便进入一切运动过程都终止的“热寂”状态。

克劳修斯这一论断是否正确呢？在科学界引起了许多争论。格林、兰金、台特、普列斯顿等人曾举出了一些看来是与克劳修斯原理相矛盾的例子。但是克劳修斯等证明了这些反对意见的错误性，并进一步断言不可能找到与第二定律相矛盾的过程。尽管如此，一些物理学家还是认为，把在与宇宙的发展相比是极短暂的时间内，以地球上的实验为根据建立的原理，推广到整个宇宙，这是不足凭信的。他们还指出，第二定律的绝对适用性意味着从实质上消灭了第一定律，因为不能转化的能量就不是能量。

另一种意见认为热力学第二定律本身就蕴含着运动要逐渐消灭的思想，因为承认自然过程的不可逆性，必然要否认过程向相反方向的转化，这就会导致运动消灭的结论。因此，要批判“宇宙热寂论”，必须首先否定热力学第二定律，否定自然过程的不可逆性。这种看法是缺乏充分科学根据的，因而是不正确的。“宇宙热寂论”并不是热力学第二定律的必然结论，而是对热力学第二定律的反科学的推论。事实上，热力学第二定律和其他已发现的许多自然科学规律一样，也有其特定条件，因而是有局限性的，只是在一定领域里才适用。

第一，严格证明的“熵增加原理”是：“一个物体系从一个平衡态出发，经过绝热过程到达另一个平衡态，它的熵不减小。”这里要求物体系在过程的开始和终了时都处于平衡态，因为只有这样熵函数才有确定的意义和数值。但是，平衡态只是一种局部的、暂时的状态，既不可能扩大到很大的空间，也不可能无限期地保持下去。一个平衡态在一个村庄、一个城市都不能实现，更谈不上在全宇宙实现平衡态了。

热力学的进一步发展表明，熵增加原理也可以推广到初态和终态不处于完全平衡态的情况，但是必须不远离平衡态，而宇宙则是一个远离平衡态的无限系统。

第二，一个孤立系，必然满足绝热的条件，所以也可以说：孤立系中熵不能减少。但是，孤立系是全脱离了外界环境的系统，而世界上的事物都是互相联系着的，根本没有绝对的孤立系统。热力学的孤立系，只是一种抽象，在实际上只能在一小的空间范围和短的时间内近似地得到体现。这时系统所受到的外界的影响还是存在的，只是小得可以忽略或总的影响近似地被消除而已。比如，在不长的时间内，一只暖水瓶里的系统就可以看作是一个孤立系，但它并不是一个真正的孤立系。很显然，这种作为抽象概念的孤立系同整个宇宙是本质上根本不同的东西，不能把由此得出的适用于局部范围现象的结论应用于整个宇宙。

所以，热力学第二定律所揭示的熵增加过程，只是无限多样的运动过程的一个局部表现，只是在一定条件下、有限范围内和热运动有关的宏观物质运动的一个特殊规律；它既不适用于微观世界，也不能外推到宇宙范围。“宇宙热寂论”正是形而上学地把热力学第二定律当作宇宙的普遍规律而走向了谬误。

按照辩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必然与导致物质和能量集中的过程不可分割地联系着。在一个定条件下熵要增加，能量要发散，而在另一些条件下熵则减小，能量则集结。

近几十年来，人们通过天文观测了解到：各种天体无不处在聚集和分散、塌缩和爆发、生成和死亡的不断转化之中；年老的星体渐渐冷下去，年青的星体正在热起来，宇宙空间丝毫没有走向热平衡的趋势。这些事实表明，在宇宙中，热并不是单一地由高温物体向低温物体发散而使宇宙体系走向热寂状态，而是到处发生着热不断放散和热重新集结的转化过程。

近些年来，天体物理学中发展起来的“黑洞”理论认为，质量大体相当于三个太阳质量的那些恒星，在其晚年将会由于强大的引力作用而自动地收缩下去，这种无限引力塌缩的结果将形成“黑洞”。它的强大引力会把一切掉进去的物质和辐射吞下去，即使有巨大速度的光线也只能进不能出；于是它就形成一个封闭的视界，不再有任何光或物质的信息从它的表面上发送出

来，外界观察者将不可能获得有关视界内的任何信息，所以它是黑的，“黑洞”的名称就是这样来的。按照这个理论，大质量的天体系统在其晚期演化中总免不了要成为黑洞的。近年来关于中微子也具有质量的发现，使我们所观测到的这部分宇宙的平均物质密度大大增加了，因而其引力作用也比人们原来估计的要大得多。因此，虽然我们观测范围大约在 150 亿光年以上的宇宙体系目前正在膨胀，但终归有一个时候要在其内部引力的作用下转变为收缩的。这种收缩一旦开始，就势必向无限塌缩进行下去。从这个意义上说，我们也是处在一个黑洞之中。

不言而喻，黑洞是作为吸引战胜排斥因素的产物而引入物理学的，在黑洞区域聚集将超过分散。这么说来，散失的物质和能量只能集结而不能发射，岂不是避开了热力学第二定律所断言的单向逸散的不可逆性，而又坠入了单向集结的不可逆性吗？它又如何重新活动起来呢？ 1974 年，英国天体物理学家霍金在研究量子力学对黑洞附近物质的行为的影响时，证明了黑洞也存在着由“温度”所标志的辐射。量子力学指出，粒子要以“穿过”核力的势垒跑出来，这就是“隧道效应”。经典物理认为黑洞只能吸收不能发射；量子力学却允许辐射从黑洞强大的引力势垒中穿出来。而且随着辐射减小黑洞的质量，辐射过程将加快，黑洞的表面温度将升高，反过来更促进辐射的增强，所以黑洞会变得越来越热，辐射会越来越快，最后黑洞会被完全“蒸发” 掉。所以，按照量子力学的观点，黑洞并不是一个稳定态，而是一种引力的激发态；黑洞并不是物质演化的终点，进入黑洞的物质还会被发射出来，不断转化为其他的物质运动形态，重新展示出丰富多彩的宇宙物质运动。

当然，这还只是个粗略的揣摩。随着自然科学的进展，对于放射到太空中的热，如何重新集结和活动起来的问题，必定会获得解决的。那时，包括热力学在内的整个科学理论，也将获得重大的进展。