世界走向混乱还是走向秩序

宇宙的结构是井然有序的：地球绕着太阳转，太阳绕着银核转，银河在星团里转⋯⋯这样的有序结构是怎样来的？有两种针锋相对的观点：一种观点认为，它是从比今天更有序的结构衰败而来，今后还要衰败下去，直至走到完全无序：另一种观点认为，它是从完全无序的状态发展而来，并继续发展下去。前者是“宇宙热寂说”，后者是“宇宙膨胀说”

宇宙热寂说

在 100 多年前曾经团科学知识引起一次宇宙热死的恐惧。英国诗人斯温伯恩（1837—1909）曾写下这样一首诗：不论是星星还是太阳

都将不再升起，到处是黑暗一片，没有溪流潺潺，

没有声响也没有景色，没有冬天的枯叶，

也没有春的嫩枝，没有白天，

没有白天劳作的欢乐，甚至没有夜晚，

因为没有夜晚的梦幻。

英国物理学家斯诺（1905—1980）在其著作《两种文化与科学革命》（1959 年）中评论说，一位对热力学第二定律一无所知的人文学者与一位对莎士比亚一无所知的科学家同样糟糕。

热力学第二定律指出，一个孤立的系统，如果原来其中各部分温度不同，演化的结果一定是温度均匀化，即处处一样，这叫热平衡，即一个系统的自发过程总是从非平衡态演化到平衡态，相反的过程不会是自然的。这种从非平衡到平衡的自然过程也叫熵产生的过程。因而熵被认为是无序的量度。对第二定律的发现者克劳修斯（1828—1888）和对熵给出统计解释的玻耳兹曼

（1844—1906）以及不少物理学家来说，熵理论的宇宙学含义是显然的。按热力学第二定律，宇宙的有序储存不断减少，正在走向衰败。热力学刚问世不久，物理学家亥姆霍兹（1821—1894），在一次演讲（1854 年）中就明确说过，热力学第二定律意味着整个宇宙最终将处于温度均匀的热平衡状态，从而陷入永恒的静止状态。

在 19 世纪初期，宇宙热寂说的社会震动颇大，宗教神学借它来宣告“世

界末日”，有些历史学家把它推广为人种将从坏到更坏直至绝灭。在 20 世纪还有人发展出一种世界观，认为走向混乱与死亡是宇宙的一条普遍规律。

《熵：一种新的世界观》的作者里夫金和霍华德甚至认为，人类的任何进步

都加快了自己灭亡的步伐。

宇宙膨胀说

与宇宙热寂说相反，宇宙膨胀说认为宇宙是从无序走向有序，即从热平衡态演化为非平衡态，或者说，从温度均匀的状态演化到温度不均匀的状态。

宇宙膨胀首先是理论的预言。自爱因斯坦（1879—1955）发表《广义相对论的宇宙学考察》（1917 年）一文以后，以广义相对论为理论基础的现代宇宙学迅速发展起来，将爱因斯坦的引力场方程用于各向均匀同性的宇宙，得到的模型宇宙中，有一种是其半径可以不断增大的，即膨胀着的宇宙。后来，发现来自遥远星系光谱线波长的变化可以解释为这些天体正在以同距离成正比的速度离我们而去，并且宇宙中还弥漫着十分接近各向均匀分布的 3K 微波辐射。如果不认为我们的地球在宇宙中有特殊的地位，那么可以认为 3K 辐射是宇宙早期各向均匀假设的证据，而星系退行是宇宙在膨胀的表现，因而这两者极有力地支持了宇宙膨胀假说。当基本粒子物理学的一些结果引入后，宇宙膨胀假说变得更完善了。

如果宇宙膨胀假说是对的，因为它假定了宇宙的初始状态是均匀的，而我们今天所看到的宇宙是不均匀的，是由行星系统、恒星系统和星系团组成的有序结构，那么宇宙膨胀假说所描绘的是从物质分布的均匀状态走向不均匀状态，亦即在结构上从无序走向有序。

那么宇宙膨胀说的宇宙进化同热力学所描述的宇宙退化的矛盾怎么解决呢？这并非表明热力学第二定律错了，所错在于它在宇宙中的应用忽略了不应忽略的“引力”的存在。在宇宙尺度上，我们可以把天体视为宇宙“气体” 的“粒子”作热力学处理，但它与一盒子气体是不同的。对于空气之类的气体，它们之间的引力作用微小到足以忽略，而对宇宙气体则不能，必须把它看成一个自引力系统。

所谓“自引力系统”，是靠引力维系的系统，并且是加热降温而放热则升温的系统。例如，太阳就是一个自引力系统，太阳之所以作为一个整体而不离散成碎片全靠引力维系，并且如果太阳内的核反应停止后向外辐射能量，它不但不会降温反而升温。太阳系、银河系以及星系团等都是这类自引力系统。

对于作为自引力系统的宇宙气体，我们可以假设它的分布是均匀的，但涨落还是存在的，由于引力的存在会使涨落增强，从而由均匀分布变为不均匀分布。涨落服从“N 的平方根定律”，即若分子的平均数为 N 则这一数量的涨落接近于 N 的平方根。如在室温和标准气压下。1 立方厘米空气包含 1019 个分子，其涨落绝对值为 109，相对值为 10-10。又如太阳包含 1057 个氢原子，其绝对涨落值为 1028，相对涨落值为 10-29。尽管这种随机的热涨落相对值很小，但对自引力体系来说它可以被增强。例如，宇宙气体的某处由于涨落造成密度有所增加，因而引力有所增强，也就会吸收更多的物质，造成更高的密度。相反，如果某处由于涨落造成密度有所减少，因而引力有所减弱，也就会使更多的物质逃离，造成更低的密度。正是引力的这种加强涨落的作用使宇宙气体从均匀状态变为非均匀状态。