熱寂說的提出與影響分析論文

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[摘要]對熱寂說的歷史進行了較系統的考察，并對其產生的社會影響及批判作了較系統的探討和闡述。全文分四部分：一、全面回顧了在科學史上熱寂說是怎樣提出的，以及一經提出后引發的各種爭論及爭論的焦點；二、分析了熱寂說提出后產生的重大社會影響；三、著重介紹及評述了對熱寂說進行的各種批判，重點是對后世影響較大的兩個代表性說法恩格斯對熱寂說的批判及較流行的各種觀點；四、闡述和探討了“大爆炸”的宇宙理論及其三個強有力的直接論據，以及引力對宇宙膨脹的作用，從而最終證明宇宙熱寂說是不可實現的。

[關鍵詞]熱寂說；熵增加原理；近代宇宙論

“熱寂說”是熱力學第二定律的宇宙學推論，它既是哲學上的一個原則問題，也是物理學上無法直接驗證的問題，它的意義關系到包括生命物質在內的萬物生長、發展和消亡的普遍規律以及人類和宇宙的未來等問題。所以一經提出，就一直受到科學界和哲學界的廣泛關注并引起激烈的爭論，但尚缺乏較全面的專論。本文試圖對熱寂說提出的歷史進行較系統的考察，并對其產生的社會影響及批判作進一步的探討和闡述。

一熱寂說的提出

一般的熱學和物理學史教科書都認為最早提出熱寂說的物理學家是威廉·湯姆孫和克勞修斯。其實早在威廉·湯姆孫(W.Thomson)和克勞修斯(R.Clausius)一百多年前牛頓就已看出了他們后來提出的熱寂說(heatdeath)。牛頓在其《光學》一書的疑問31(problems31)中描述了后人在一百多年后描述的可怕的宇宙毀滅景象：地球、行星、彗星和太陽這些物體，以及它們上面所有的一切，均將冷卻和凝凍，變為非活性的物體。并且所有腐爛、生長、繁殖和所有生命現象，均將停止。所有的行星、彗星將不再能留在它們的軌道上運動。這就是說，牛頓在建立自己力學體系之初，就已意識到它的體系不能解釋非彈性碰撞過程(實際上就是牽涉到熱交換的過程)的不可逆性與宇宙穩定性的矛盾。為了解決這一矛盾，牛頓提出了“主動原理保持和補償運動”的物理思想。他指出：“所以，有一種按照主動保持和補償運動的必要性，這就是重力的原因。行星和彗星由這個原理保持在軌道上，降落時物體獲得大的運動，由發酵的原因，動物的心臟和血液保持永恒的運動和熱量。地球內的部分持續生熱，某些部分變得很熱……太陽保持劇熱并可見，以其光使萬物變熱。除去歸之于這些主動原理之外，我們在宇宙間遇到的運動很少。”從這段話可以看出，雖然牛頓帶有過分強烈的思辨性，但他在設法超脫機械論的局限性，希望用非機械論的解釋擺脫力學帶來的困難。然而在他那個時代，當能量、能量守恒定律以及各種運動形態均未出籠時，他的設想是很難有什么積極的成果的。為此，他只好求助于上帝的存在，希望上帝給以支援。他在同一書中又指出：“上帝既是宇宙的創造者，又是宇宙的持續的保持者?！薄皼]有他的治理和監督，就會一事無成。說宇宙是一架大機器，無需神的干預即可以運轉下去，就如同一個時鐘不需要鐘表匠的幫助而繼續運轉那樣，這種觀念實際上是以把上帝說成是超凡的神靈為借口，想把天意和上帝對現實的統治排除掉?！?/p>

隨后，歐勒、拉格朗日、拉普拉斯和泊松等一批物理學家和數學家從數學分析方面發展了力學，他們證明，太陽系中所有的變動都是周期性的，這種變動不僅在某一有限范圍內進行，而且其增強或減弱的變化也是周期性的。因此，他們得出結論，認為太陽系具有一種穩定性，而且在無限長的時期里，這種穩定性是永遠不會改變的。從而他們從物理思想中排除了上帝，這當然是一個了不起的進步，但他們卻由此而忽視了牛頓對于不可逆過程的擔心，并想徹底拋棄這種憂慮，而宣布太陽系(乃至整個宇宙)將永遠穩定，應該說這也是物理思想史上的一次后退。

由以上簡單的歷史回顧可知，當W·湯姆孫和克勞修斯揭示了自然過程的不可逆性這一曾在歷史上爭論過的問題后，為什么會引起當時許多一流物理學家的高度重視!

1852年，W·湯姆孫在關于自然界中機械能耗散的一篇論文中提出，在自然界中占統治地位的趨向是能量轉變為熱而使溫度拉平，最終導致所有物體的工作能力減小到零，達到熱寂狀態。他在1862年發表了《關于太陽熱的可能壽命的物理考察》論文，明確提出“熱寂說”。他寫道：“熱力學第二個偉大定律孕含著自然的某種不可逆作用原理，這個原理表明雖然機械能不可滅，卻會有一種普遍的耗散趨向，這種耗散在物質的宇宙中會造成熱量逐漸增加和擴散，以及熱的枯竭，如果宇宙有限并服從現有的定律，那么結果將不可避免地出現宇宙靜止和死亡狀態?！?/p>

從湯姆孫這段話可以看出，他從機械能轉化為熱而耗散和熱力學第二定律，得出宇宙熱寂的觀點。隨后克勞修斯在1865年的論文《論熱的動力理論的主要方程的各種應用形式》中得出：“這個定律在宇宙中的應用，已得出一個結論，那是湯姆孫首先得出的，因此我才發表我所說的論文。”可見克勞修斯承認湯姆孫先于他提出熱寂說，并啟發他做進一步的嘗試。

克勞修斯在1865年的上述論文中把宇宙看作一個孤立的絕熱系統，在這個系統中熱的正向變化總是大于負向變化，因此他認為宇宙熱量的總和將向一個方向變化而趨于最終狀態。另外他指出，他的熵只包含了“熱含量”和“熱離散度”，而未考慮當時已知的熱輻射和由“以太”傳播的熱量等。他寫道：“由此熵尚未用盡，還必須考慮輻射熱，或以太振動方式通過宇宙空間彌散熱的其它形式，以及不包括在熱名義下的那些擴展更遠的某種運動?！闭窃谏鲜銮疤嵯碌贸鏊硎镜挠钪婊径桑?)宇宙的能量是恒定的；2)宇宙的熵趨于極大?？藙谛匏乖?867年作的《關于機械熱理論的第二定律》的講演中，又進一步提出：“宇宙越是接近于其熵為一最大值的極限狀態，它繼續發生變化的可能性就越??；當它最后完全達到這個狀態時，就不會再出現進一步的變化了，宇宙將永遠處于一種惰性的死寂狀態?！边@就是著名的克勞修斯的“熱寂說”的來歷。

值得注意的是，開爾文和克勞修斯提出“熱寂說”時是有所不同的，前者明確認為把熱力學第二定律推廣到宇宙是有條件限制的，也就是假設宇宙是一個“有限”的體系；后者并沒有做這樣一個限定，而是毫無條件地推廣到整個宇宙。在對“熱寂說”的提出者進行客觀評價時，這種區別是要特別認真對待的。

除W·湯姆孫外，在克勞修斯前提出熱寂說的還有赫姆爾霍茲，這一點很久以來似乎被人們忽視了，他在1854年的一次講演中就談到熱力學第二定律意味著整個宇宙最終將處于溫度均勻的狀態，并且“自此以后，宇宙將陷入永恒的靜止狀態”，即熱寂狀態。

二熱寂說的社會影響

熱寂說的提出，在社會上引起了巨大的反響，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。

美國歷史學家亨利·亞當斯把它解釋為19世紀所特有的低落情緒的原因，還把它與對社會進步的失望情緒相聯系，正是這一觀念給一些作家帶來了一種對宇宙熱死亡的憂郁心態。例如具有資產階級自由思想的英國詩人斯溫伯恩曾這樣描述了熱寂：

不論是星星還是太陽將不再升起，

到處是一片黑暗，

沒有溪流的潺潺聲，

沒有聲音，沒有景色，

既沒有冬天的落葉，

也沒有春天的嫩芽，

沒有白天，也沒有勞動的歡樂，

在那永恒的黑夜里，

只沒有盡頭的夢境。

美國的物理學史家G·霍爾頓把這種沒落情緒正確地歸之于社會原因。他在《物理科學的概念和理論導論》一書中指出：“熱寂說對于一些流行作家有一種不健康的吸引力，這些作家沉湎于席卷歐美社會某些部分的關于世界末日的悲觀情緒。由于熵的增加意味著更大的無秩序的混亂，這也許就是對社會崩潰和環境衰退的一種解釋!”

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?？傊?9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。

因此，從19世紀開始，就不斷有人提出各種方案或假說來批判熱寂說，試圖證明熱寂說只是一個佯謬，由此證明宇宙是不會熱寂的。這些批判都十分令人欽佩，因為它們若成功了，就不僅拯救了物理學的名聲，而且也“拯救了整個宇宙和人類”。三對熱寂說的批判

長期以來，人們總以為宇宙基本上是靜態的，而且在時間上既無始又無終。但按照熱寂說的說法，似乎宇宙早就該處于熱寂狀態了。然而最使人不可理解的是，為什么現實宇宙至今并沒有達到熱寂狀態?由于熱寂說在感情上和理智上都給人以強烈的沖擊，所以它問世不久，就遭到各方面的抨擊。下面簡要介紹對后世影響較大的兩家之言以及比較流行的一些觀點。

1．對后世影響較大的兩個代表性說法

(1)“麥克斯韋妖”的提出。1871年，麥克斯韋(J.Maxwell)曾以“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”。一百年來，“麥克斯韋妖”對許多物理學家一直有很大的誘惑力。麥克斯韋認為，只有當我們能夠處理的只是大塊的物體而無法看出或處理借以構成物體分離的分子時，熱力學第二定律才是正確的，并由此提出應當對熱力學第二定律的應用范圍加以限制。然而1929年，匈牙利物理學家西拉德揭開了“麥克斯韋妖”之謎。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。

(2)玻爾茲曼的質疑。1872年玻爾茲曼(L.Bo—ltzmann)也指出：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。盡管后來一些物理學家，如萊辛巴赫(H.Reihenbaeh)等發展了玻爾茲曼的思想，把時間增加的方向作為熵增加的方向，并進一步指出了存在著熵的漲落現象，但同樣由于缺乏觀測證據支持而最終被放棄。

2．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。

“熱寂說”剛剛提出，恩格斯就在1869年3月2日致馬克思的信中指出，這種理論認為，世界愈來愈冷卻，宇宙中的溫度愈來愈平均化，因此，最后將出現一個一切生命都不能生存的時刻，整個世界將由一個圍著一個轉的冰凍的球體所組成。我現在預料神父們將抓住這種理論，把它當作唯物主義的最新成就，用來作為“必須設想有上帝存在”的論證，而這種論證實質上是與辯證唯物論背道而馳的。

恩格斯在其《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。他指出：“散射到太空中去的熱必須有可能以某種方法——闡明這種方法將是以后自然科學的課題一轉變為另一種運動形態，在這種運動形態中它能夠重新集結和活動起來。”恩格斯依據天文觀測資料“新星之突然地閃現以及熟知的舊星的突然增加光亮”指出散射到太空中的熱能有重新集結的可能，他堅持辯證自然觀的正確性，因此他寫道：“我們確信，物質在它的一切變化中永遠是同一的，它的任何一個屬性都決不會喪失，因此它在某個時候以鐵的必然性毀滅自己在地球上的最高的花朵——思維著的精神，而在另外的某個地方和某個時候又一定以同一種鐵的必然性把它重新產生出來?！?/p>

3．曾廣為流行的其它觀點

(1)熵增加原理只對孤立系統成立，目前我們沒有任何根據說宇宙是這樣的一個封閉的孤立系統。把在有限時空范圍內得到的原理任意推廣到整個宇宙是難以置信的。

(2)對整個宇宙而言，既存在著從有序向無序轉化的過程，即熵增加過程，也存在著無序向有序轉化的過程，即熵減少過程。因此，耗散結構理論認為宇宙在歷史的長河中，熵只是在不斷地增加的結論，是沒有什么根據的。耗散結構理論認為，對于非孤立系統，熵的變化可以形式地分為兩部分。一部分是由于系統內部的不可逆過程引起的，叫做熵產生，用dis表示。另一部分是由于系統和外界交換能量或物質而引起的，叫做熵流用des表示。所以整個系統的熵變化是ds=dis+d3s一個系統的熵產生永遠不可能是負的，即總有diS≥0，對于孤立系統，由于des=0，所以ds=dis>0，這就是熵增加原理的表達式。

但對于非孤立系，視外界的作用不同，熵流des可正、可負。如果des<0，且|des|>dis，就會有ds=dis+des<0，這表示經過這樣的過程，系統的熵會減小，系統就由原來的狀態進入更加有序的狀態。這就是說，對于一個封閉系統或開放系統存在著由無序向有序轉化的可能。為此《紐約時報》曾于1980年發表特稿，宣稱普里高津的耗散理論幫助人類解決了一項科學上最擾人的似是而非的問題。然而，盡管這種理論具有很廣的應用范圍，但對于整個宇宙來說，由于缺乏明確的物理圖象和實驗基礎而不被天體物理學界所認可。

(3)熵增加原理的嚴格表述是：“一個熱力學系統從一個平衡態出發，經過絕熱過程，到達另一個平衡態，它的熵不減少。”這里很重要的一點是，體系在過程的開始和過程的終了都處在平衡態。而對于宇宙來說，在我們知識所及的歷史年代里，宇宙一直處于遠離平衡狀態之中。因此，說我們所及的歷史年代中宇宙的熵不斷增加是沒有根據的。四熱寂說的終結

多少年來我們總有這樣的感覺，對已有的對熱寂說的批判說服力不強，并沒有真正解決問題。1948年，美籍俄裔物理學家伽莫夫(G.Gamow)和他的同事提出了一個“大爆炸”的宇宙理論，使熱寂說的佯謬迎刃而解。

熱寂說是以宇宙整體正在從非平衡趨于平衡的結論為前提的。然而大爆炸宇宙學的研究和觀測表明，宇宙起源于150億年前“原始火球”的一次大爆炸，大爆炸之后宇宙一直在膨脹。它不是趨于平衡，而是越來越趨于不平衡。按照熵增加原理，只對于每個靜態的封閉體系，熵才有個固定的極大值Smax；對于膨脹著的系統，每一瞬時熵可能達到的極大值Smax一是與時俱增的。如果膨脹得足夠快，系統不但不能每時每刻跟上過程以達到新的平衡，而且實際上熵值S的增長落后于Smax的增長，二者的差距越拉越長。雖然系統的熵不斷增加，但它距平衡態卻愈來愈遠。我們的宇宙中發生的正是這種情況。

大爆炸宇宙理論得到了三個強有力的直接證據的支持，即哈勃紅移、氦元素豐度和3K微波背景輻射。1929年，美國天文學家哈勃(E.Hubble)在研究了前人測量的星系距離資料后發現，這星系光譜線的顏色要比近星系的稍紅一些，哈勃仔細的測量了這種紅化，發現它呈系統性變化，而且，星系愈遠，光譜線紅移愈大，在進一步測定了許多星系光譜中特征譜線的位置后，哈勃證實了這個效應，并指出紅移現象的產生是由于星系在退行而使光波變長的結果。由此，他總結出了著名的哈勃定律：星系退行的速度與距離成正比。從哈勃定律人們會很自然地得出宇宙在膨脹的推論。這個重大發現奠定了現代宇宙學——大爆炸理論的基礎。

支持大爆炸宇宙論的第二個證據是宇宙中氦元素豐度的預言和測定。大爆炸發生一秒鐘以后，宇宙是由極高溫的基本粒子組成的“羹湯”，這時整個宇宙處于均勻的熱平衡態。隨著宇宙的膨脹和降溫，其中的一些粒子逐次與其余部分粒子脫耦。此時產生的核反應使中子和質子聚合在一起，形成氦核，余下的核子(沒有聚合的質子)自然就形成了氫核。精確的理論計算表明，當時應有23.6％的物質質量聚合成了氦核，英國皇家格林威治天文臺對眾多星系中原始星云的發射光譜進行觀測的結果表明，宇宙中氦的實際豐度為23.5％。這一結果與大爆炸的理論預言極為相符。

支持大爆炸理論的第三個證據是3K微波背景輻射的發現。大爆炸理論預言，現在的宇宙中應該存在著一種來自宇宙早期的均勻的、各向同性的微波背景輻射，它是宇宙早期的遺跡，頻譜應該符合普朗克黑體輻射公式，溫度約為3K。1965年這一預言被射電天文學家彭齊亞斯(A.Penjias)和威爾遜(R.Wilson)在宇宙觀測中證實，此后亦為眾多科學家進一步證實。這一結果表明，宇宙早期曾一度處于平衡態，處處都有相同的溫度，而且物質也是相當均勻的，非均勻性不超過10-5，大爆炸之后，宇宙才逐漸偏離熱平衡態，而今天宇宙中物質分布的不均勻性已高達10—103。

另一方面，宇宙膨脹的原因是由于引力的作用。有引力作用的熱力學與無引力作用的熱力學得出的結論完全不同。在不考慮引力的經典熱力學中，加熱則體系升溫，冷卻則體系降溫，熱容量是正值。而在一個自引力體系中情況則剛好相反，加熱則體系變冷，放熱則體系升溫，熱容量是負值。而負熱容物體的存在對于熱力學來說具有根本性的影響。在一個體系中，如果同時存在著正熱容物體和負熱容物體，那么這個體系就具有極大的不穩定性。稍有擾動，平衡就會徹底遭到破壞而產生溫差。因此，只要有引力體系存在，原則上就不存在穩定的熱平衡，而宇宙間的天體或天體系統大多數正是這種引力系統。盡管自引力系統中熵是增加的，但由于沒有熱平衡，因而熵的增加是無止境的，永遠沒有極大值。

因此，“熱平衡的存在對整個熱力學是至關重要的，熱平衡是熱力學的出發點，而對于引力起作用的體系，實際上不存在熱力學意義上的熱平衡態，而是不穩定的狀態?！边@種現象在靜態宇宙模型中是不可能發生的，也是開爾文和克勞修斯等人沒有料想到的。

總之，熱寂說的要害在于未考慮宇宙的膨脹和引力效應。隨著宇宙的膨脹，輻射與粒子溫度下降速度的不同，即使原來溫度相同的系統也會因為輻射與粒子溫度下降速度不同而形成溫度差，這同熱力學第二定律的結論不同。此外，在宇宙系統中，引力起著重大作用，前蘇聯理論物理學家朗道認為當考慮宇宙的大區域時，引力起了重要作用，涉及范圍愈大，引力的作用就愈大。在一定范圍內，會出現彌散物質的聚集現象，宇宙中的星系很可能就是這樣形成的。這是與熵增加原理不同的物理過程。因此，考慮到宇宙的膨脹及引力效應，宇宙熱寂是不可能實現的。

當然，今天的宇宙觀尚不能預卜宇宙的最終結局，但這些未盡之頁已不屬于熱寂說，而是新的一章了。