熱寂——宇宙的終極命運?

宇宙的“熱寂”是指宇宙達到最大熵時的狀態。

當所有可用的能量(例如來自熱源的能量)都轉移到能量更少的地方(例如冷源。英文原文似乎是冷源,而非能量)的時候,就會發生這種情況。一旦這種情況發生,就再也不能從宇宙中獲取自由能了。當熱量停止流動,就無法從傳熱過程中獲得自由能。這種平衡態也同樣會發生在所有其他形式能量(機械能、電磁能等)中。由於此時不能從宇宙中獲取自由能,宇宙實際上也就相當於沉寂了,尤其是對人類而言。


熱寂——宇宙的終極命運?


這一概念與通常所說的“冷寂”有很大不同。“冷寂”是指宇宙永遠膨脹。由於這種膨脹,宇宙會持續降溫,最終冷到無法支持任何生命時,宇宙將在嗚咽中死去。正如你所看到的,“冷寂”的反義詞不是“熱寂”,而是“大坍縮”。當宇宙有足夠的物質密度坍縮時就會發生“大坍縮”,而最終宇宙會坍縮到一定的程度。這種坍縮使溫度上升,最終導致宇宙在高熱中死去。


熱寂——宇宙的終極命運?


有關“熱寂”概念的討論可以在一些熱力學教科書中找到。“冷寂”和“宇宙大坍縮論”的概念可以在宇宙學教科書中找到,比如科爾布和特納的《早期宇宙》。如果你喜歡不那麼技術性的內容,可以試試基普·索恩(Kip Thorne)的《黑洞與時間扭曲》(Black Holes and Time Warps)。


熱寂——宇宙的終極命運?


巨大的超大質量黑洞

只有當宇宙持續無限長的時間時,宇宙的熱寂才會發生(排除宇宙大坍縮的情況)。熱寂的發生是根據熱力學第二定律:系統的熵必定總是在增加。系統的熵值是衡量系統無序程度的一個指標——熵值越大,無序程度越高。

為了方便理解,你可以想象成一個地球上的實驗。化學反應只有在熵增加時才會發生。讓我們想象一下燃燒的汽油。我們從一種含有長鏈原子(相當有序)的液體開始,當我們燃燒它的時候會產生大量的熱量,以及水蒸氣和二氧化碳。這兩個都是小氣體分子,所以分子中原子的無序程度增加了,周圍環境的溫度也增加了。


熱寂——宇宙的終極命運?


熱量從熱水流向冷水。

現在讓我們想想這對宇宙意味著什麼。任何反應的發生,要麼降低生成物的有序程度,要麼放出熱量。這意味著,在遙遠的將來,當所有可能的反應發生後,留下的只剩下熱量(不考慮電磁輻射)和基本粒子。沒有反應是再能發生,因為宇宙此時已達到它的最大熵。唯一能發生的反應將導致熵的減少,而這是不可能的,所以宇宙實際上已經死亡。

相關知識

熱力學第二定律是熱力學的三條基本定律之一,表述熱力學過程的不可逆性——孤立系統自發地朝著熱力學平衡方向──最大熵狀態──演化,同樣地,第二類永動機永不可能實現。 這一定律的歷史可追溯至尼古拉·卡諾對於熱機效率的研究,及其於1824年提出的卡諾定理。

宇宙大爆炸,是描述宇宙的源起與演化的宇宙學模型,這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為:宇宙是在過去有限的時間之前,由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的。根據2015年普朗克衛星所得到的最佳觀測結果,宇宙大爆炸距今137.99 ± 0.21億年,並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。


熱寂——宇宙的終極命運?


根據大爆炸理論,宇宙是由一個極緊密、極熾熱的奇點膨脹到現在的狀態。

熱寂是猜想宇宙終極命運的一種假說。根據熱力學第二定律,作為一個“孤立”的系統,宇宙的熵會隨著時間的流異而增加,由有序向無序,當宇宙的熵達到最大值時,宇宙中的其他有效能量已經全數轉化為熱能,所有物質溫度達到熱平衡。這種狀態稱為熱寂。這樣的宇宙中再也沒有任何可以維持運動或是生命的能量存在。熱寂理論最早由威廉·湯姆森於1850年根據自然界中機械能損失的熱力學原理推導出的。


熱寂——宇宙的終極命運?


威廉·湯姆森——熱寂理論的創立者

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Sarah Al-Assam- physlink

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