03.03 恒星的产生是不是违反热力学第二定律——熵增原理?该如何解释?

星宇飘零2099


回答这个问题之前,要先搞清楚熵增加原理的适用前提!熵增加原理成立的前提条件是:热力学体系处于孤立状态。首先要确定,恒星诞生过程时候是否是热力学体系,其次判断该体系是否处于孤立体系。然后才能确定恒星的诞生是否违法热力学第二定律。

我们先讨论热力学。热力学尤其是经典热力学(现在有一些学者提出了所谓的“量子热力学”),是十分唯象的理论,而且由于限制于“平衡态”“孤立体系”,而对更一般的情况缺乏一般性。熵减少的现象其实十分常见,比如说细胞的自组织现象就是典型的熵减少过程。这些现象其实并不违反热力学第二定律,它们是超出热力学第二定律的物理现象。因为热力学第二定律适用的几个前提在这些问题上全都失效了。

回到恒星问题,恒星的粒子体系,严格来说,这个体系不是经典力学体系,而是量子多粒子体系。原因在于三点:第一,恒星的形成需要只能用量子理论才能描述与解释的强相互作用参与其中;第二,恒星内部的粒子体系存在极其强烈的量子效应,比如说粒子的自发湮灭和产生;第三,恒星稳定性和量子力学的泡利简并压有关。这三点导致恒星的粒子体系不是经典体系,而是量子体系。这就导致我们不能仅仅从宏观角度去分析恒星,还需要考虑微观层面。恒星的诞生历史,简单来说是,首先是因为万有引力(这里面没有考虑引力的量子效应,因为引力的量子效应在这种情况下太弱,没有考虑的必要性)吸引气团内聚,导致气团内部的粒子产生极其剧烈的碰撞,当内聚气体数量和能量达到一定程度时候就进而引发核反应——强相互作用开始主导恒星,从而点亮这个气团,这就是恒星的诞生。这个过程中,万有引力的存在导致恒星粒子体系不是一个简单的孤立体系,甚至不是一个平衡态体系。外界不断地像恒星内部提供物质,而且这个过程是不会等到恒星体系达到热平衡才进行下一阶段的物质内聚的,所以热力学第二定律的适用前提是失效的。因此,熵减过程是不可避免的。但是,我要强调的是:

所有的熵减过程都不违反热力学第二定律

这是十分重要的一点。熵减过程一旦重新达到“平衡态”“孤立状态”,那么熵增加过程又重新开始!换句话说,热力学第二定律只给出了一个否定语句的命题,该命题否定了熵不能自发增加。

且说这么多吧!


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恒星是怎么产生的呢?在标准的理论中,恒星产生于一团气体云,气体云受到外部的扰动,开始收缩,然后大部分物质凝聚成一团,引力的能量转化为热量,引燃核反应,恒星就这样诞生了。

(图片来自Wikipedia)

有些人会觉得,这种现象似乎违反了热力学第二定律,也就是熵随着时间增长。熵是对物质无序程度的一种衡量。一开始的气体云,气体占据的空间这么大,当然非常无序;在变成恒星之后,似乎就变得有序多了。在这个过程中,难道熵不是减少了吗?

当然不是。

人的直觉很多时候并不可靠。我们一眼看去有序的东西,很可能并不像我们想象中那么有序;一眼看上去无序的东西,也不一定真的就毫无秩序可言。凡事最好还是具体算一算,这样才能准确知道。好在,在恒星形成的这个过程中,我们不需要真的做具体的计算。只要换个角度来考虑,很显然就能得出恒星形成的过程中熵也会增加的结论。

恒星形成的第一步是气体云的凝聚。在凝聚的过程中,引力势能转化为内能,将气体加热。本来,如果没有这个转化过程的话,气体云的凝聚可以看成理想气体的绝热压缩,在这个过程中熵本身就会增加。再加上引力势能转化成的内能之后,熵当然就变得更大了,因为气体分子的运动更加快更加杂乱无章,也就更加无序。在气体云凝聚,然后提升到足够的温度之后,核反应开始之后,熵就变得更大了,因为核反应带来的热量,以及各种粒子的产生。

所以,恒星产生的过程并没有违反热力学第二定律。在这个过程中,熵反而大幅增加。这又是物理学的胜利:我们通过此时此刻在地球表面做的实验,就能推断遥远往昔在宇宙中发生的事情。


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热力学第二定律即热量从高温物体流向低温物体是不可逆的。恒星的温度传递只能是由高向低,并不违反这个定律。但是,从大的方面来看,恒星组成星系,所有的物质和能量最后都会被黑洞吸收,光不可逃离,温度也不例外。而这个温度释放和回收过程,说明物质和能量还有熵增熵减,都在这个系统内循环,为一个平衡系统。



熵增或熵减形容的只是独立循环系统的单向性。我们不能因为水向低处流的特性说它违反了地球水循环系统的水蒸发过程。

这个宇宙中的任何封闭的循环系统都同时是一个平衡系统,它们都遵循能量守恒定律和质量守恒定律。熵增形容的是这个循环系统的单向性——温度由高向低传导,水由高向低处流。任何一个独立的循环系统都同时包含熵增和熵减过程。



自然界,我们看到了地球上水向低处流,百川纳海,却忽略了水的蒸发,扩散全球,重新凝聚为水;我们看到了热量(温度)从高向低的传导特性和释放过程,却忽略了物质的聚拢,能量的汇聚,也是温度的吸收过程;我们看到了地球上物质的有序变无序过程却忽略了地球也是个大型改造场,地质的运动会回收所有无序的物质高温回炉重组再经过火山喷发出来……





在人类社会中,似乎大部分都是从有序变的无序,其实不然。我们的法律和道德约束,都是为了让无序的人类社会活动由无序变得更有序;由山村到城区的改造,难道不是让住所变得更合理规范有序的过程?

熵,就是质量守恒定律与能量守恒定律的集合体。


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