宇宙最終會達到熱平衡,變得一片死寂嗎?

Simba20180113


宇宙歸宿有多種假設,熱寂說是其中的一種假設。

熱寂說並不是字面上的熱死了,這是根據熱力學第二定律中的“熵增原理”,認為宇宙的熵會不斷趨向極大,最終達到熱平衡,即宇宙每個地方的溫度都相等。

熱力學第二定理認為,在孤立的系統內,任何變化都不可能導致熵總值減少,這說明了世界只能退化,不能進化。所謂退化就是事物變得越來越無序,越來越簡單,最終複雜的事物就沒有了,世界就死寂了。

熱寂說認為,這個宇宙中雖然現在事物有無數的多樣性,有著非常複雜的事物,比如生命和人類,這種複雜的結構隨著“熵增”的不斷加大,就會漸漸消失。

宇宙走向沙漠化(比喻),所有物質都變得一模一樣極其簡單,宇宙到處溫度都是一樣的,這就是熱寂,就是熱寂說的宇宙末日。

但事實上,這個宇宙從大爆炸開始的無序狀態,正在走向有序,觀測事實並不符合“熵增原理”。

我們看到的事實是整個宇宙在進化,生物從無到有,從簡單到複雜,從單一到多樣,宇宙中各種事物,都已經或依然在從大爆炸開始最簡單的事物演化為越來越複雜的事物。

宇宙從最初始的混沌無序狀態,變得越來越有序,星系恆星生成風起雲湧,生命出現,種種跡象顯示著的是一個“熵減”過程。

所以,宇宙熱寂說從一提出,就充滿了爭論,現在這種學說似乎已經正在被摒棄。

宇宙大爆炸理論是人類對宇宙認識的重大突破,是人類數十年創新實驗和理論研究的結晶。

這個理論從20世紀初出現後,越來越受到科學界的重視和公認,已經成為現代宇宙學的標準模型。

科學界經過百年觀測研究發現,大爆炸理論已經具有了四個最重要的直接證據支持,即哈勃紅移宇宙膨脹、3K宇宙微波背景輻射、宇宙氦元素丰度、基於大爆炸理論基礎上建立的相對論多個預言的證實,比如引力波、黑洞、時間膨脹、時空彎曲等等。

關於大爆炸理論學說,時空通訊在前面的許多回答和文章中多有闡述,就不在這裡多佔用篇幅了,有興趣的可以前往查閱。

我要說的是這個大爆炸理論對宇宙歸宿的假設更具合理性。其中最重要的是冷寂說和循環說。

大爆炸理論中有一個非常重要的參量,即Ω=ρ[,0]/ρ[,c]。

其中ρ[,c]是與哈勃常數密切相關的一種宇宙臨界密度,ρ[,0]是現在的宇宙密度。

若ρ[,0]ρ[,c],即Ω>1,則表明於宇宙開始會膨脹,到達一定時間後,就會轉為收縮;若ρ[,0]=ρ[,c],即Ω=1宇宙就會處於兩者之間的臨界狀態。

現在科學家們大多數認同觀測的結果為Ω<1,就是宇宙小於臨界密度,所以宇宙會永遠膨脹下去,最終歸於冷寂是佔上風的看法。

這種“冷寂”說認為,宇宙一直膨脹,星系和恆星之間將越來越稀鬆,最終所有恆星上的熱核反映將全部終止,宇宙中留下的都是恆星死亡的殘骸,如中子星、黑矮星、黑洞等,宇宙背景輻射將不斷下降,越來越趨於絕對零度,宇宙在真正的寒冷中死去。

但時空通訊更中意於“循環”說。

所謂循環說是基於可能Ω>1。因為這個宇宙能夠觀測到的物質只佔4.9%,95.1的暗物質暗能量尚沒有被觀測到,因此很可能宇宙密度會大於臨界值。

這樣宇宙膨脹到一個臨界點後就會轉為收縮,收縮到一定狀態就會真正的“熱寂”,所有物質迴歸到大爆炸初期的量子湯混沌狀態,最終收縮回歸為一個奇點。

這種量子真空的奇點在某種漲落擾動下,或許一個新的宇宙又會在爆炸中出現。

自然規律是不以人的意志為轉移的,但我們人類可以去發現和認識它,並利用自然規律來為人類服務。人類現在對宇宙歸宿的發現和認知才剛剛起步,隨著發現和認識的深入,還會有很多變數。

科學永遠在路上。

有一點是這個世界的鐵定規律,就是這個世界上一切事物都有一個誕生、成長、成熟、衰老、死亡的過程。即使目前發現壽命最長的元素鉍-209,半衰期為2*10^18/年,其壽命可能超過宇宙數億倍,但仍然要遵循這個過程。

宇宙也不例外。

時空通訊觀點,歡迎點評討論。


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