热寂
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| 物理宇宙学 |
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热寂（英语：heat death of the universe）是猜想宇宙终极命运的一种假说。根据热力学第二定律，作为一个“孤立”的系统，宇宙的熵会随着时间的流逝而增加，由有序向无序，当宇宙的熵达到最大值时，宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能，所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。热寂宇宙的理论最早由威廉·汤姆森于1850年根据自然界中机械能损失的热力学原理推导出的。[1][2]
发展历史
[编辑]热寂理论起源于19世纪物理学家对热力学第一定律和热力学第二定律对宇宙进程的影响和研究，特别是威廉·汤姆森在1851年对当时的一个动态热力学理论（Theory of Heat）实验作出了如下描述：“热量并非一种物质，然而是机械作用的一种动态形式，我们认识到机械功与热量之间必须是相关的，就如同因与果”。开尔文勋爵在1852年将这一理论外推到宇宙学尺度，并补充说整个宇宙将达到“永恒的静止和不可动摇的静止”状态。1862年，开尔文想知道是否有可能逆转死亡过程并实现“复兴宇宙”。[2][3]赫尔曼·冯·亥姆霍兹和威廉·兰金1854年发展开尔文理论，认为热寂将是“所有物理事件的终结”。[4][5]
热寂时间表
[编辑]由于宇宙热寂说仅仅是一种可能的猜想，并没有任何事实证据支持该学说的正确性，所以以下内容仅为在假设该学说成立基础下的假说。
简并纪元：从10^10年到10^40年
[编辑]宇宙加速膨胀：10^10年
[编辑]宇宙加速膨胀将使星系间的距离扩大。在10^10年之内，除了一些有引力联系的星系，其它星系都会因为离开可观测宇宙外而变成不可见（以银河系为例：此时宇宙膨胀将导致以地球所处在的位置为参照系的整个可观测宇宙范围之内仅存在“银河－仙女座星系”这一个星系可见，其他星系则会彼此退出各自的宇宙视界）。
星系和恒星停止产生：10^14年
[编辑]在这段时间里，星系和恒星的形成逐渐减缓并完全停止，至于那些仍然存在的恒星，由于自身核燃料的逐渐枯竭，恒星的温度和光度逐渐下降，直到核燃料完全耗尽，恒星死亡为止。当宇宙中所有的恒星都熄灭之后，只有行星、小行星（包括彗星、陨石和棕矮星）、白矮星、黑矮星、中子星、奇异星和黑洞能够继续存在。偶尔，棕矮星之间的相互撞击会形成新的红矮星。这些红矮星会在宇宙中继续存在数十亿年，成为宇宙中为数不多的可见光源。
行星开始脱离轨道：10^15年
[编辑]由于引力波和引力扰动的影响，10^15年后，行星逐渐脱离它们的原始轨道。
恒星开始脱离轨道：10^16年
[编辑]同样是因为引力波和引力扰动的影响，星系中的恒星和恒星残骸也开始离开它们的原始轨道，只留下分散的恒星残骸以及超大质量黑洞。
质子衰变：10^36年至10^40年
[编辑]第一个可能性是以某些大一统理论中，质子寿命极长但有限为前提推测的。
一半质子完成衰变：10^36年
[编辑]根据某些理论认为质子会衰变，而半衰期（10^36年）的估计是正确的话，届时，宇宙中大约一半的物质已经通过质子衰变形式转化为伽马射线和轻子。
全部质子完成衰变：10^40年
[编辑]这时，所有的质子都已完成衰变。事实上在这种情况下，宇宙中所有的物质只能在两种形式存在：黑洞或是轻子。
黑洞纪元：从10^40年到10^100年
[编辑]黑洞占主导地位：10^40年
[编辑]黑洞将继续以霍金辐射的形式缓慢蒸发，直至最终因质量流失而蒸发殆尽。
黑洞崩溃：10^100年
[编辑]最后的黑洞预计将在10^100年（即1古戈尔年）至10^150年内蒸发完毕，而在此之前其他所有残余的黑洞均已蒸发殆尽。与恒星不同，黑洞的寿命与其质量成正比，即质量越大的黑洞寿命越长。因此首先将被蒸发的是低质量黑洞，然后是超大质量黑洞，最终被蒸发的黑洞将是宇宙有史以来最大的黑洞，同时也将是宇宙最后的宏观尺度天体，届时宇宙中的所有物质均将衰变为光子和轻子。
黑暗纪元：10^100年-
[编辑]在全宇宙最后一个黑洞也因为霍金辐射蒸发消失之后，宇宙将进入黑暗纪元（Dark Era），此时的宇宙中已没有任何宏观尺度的天体存在，只剩下质子衰变之后的轻子和光子等能量极低的亚原子粒子，并且几乎不进行能量交换，也不会发生什么有意义的事件。如果时间还有意义的话，这个纪元将会延续到无穷。
光子时代：10^150年到10^1000年
[编辑]光子时代中，宇宙内的所有物质均已衰变为光子和轻子。宇宙的熵将在此后继续增大并最终达到热寂状态，温度也将无限趋于绝对零度。
宇宙达到最低能量状态（热寂）：10^1000年
[编辑]现在，整个宇宙已进入最低能量状态，全宇宙热平衡，宇宙的熵值将达到最大。宇宙已死，或者说，连死亡都已经消逝。目前尚不清楚在这之后会发生什么，一种假设是宇宙可能会永远停留在这种状态，进入真正意义上的热寂状态。这意味着量子事件将会取代其他的微观活动成为宇宙的主宰。
分歧
[编辑]分歧之一
[编辑]假如宇宙是平面的（即Ω=1）且没有质子衰变；则随着量子穿隧效应加上长时间的几率，最终所有小于铁的物质都会因此而发生核聚变，最终变为铁。（而铁的结合能最小，因此熵值最大。）之后在很长一段时间内，会通过庞加莱始态复现定理、热涨落和涨落定理，导致自发的熵值减少。量子穿隧效应也应该将大物体变成黑洞，根据所做的假设，这种情况发生的时间可以在10101026到10101076年间发生。量子穿隧效应也可能使铁星在大约10101076年内坍缩成中子星。[6]
全部物质变为铁：10^1500年到10^10^10^56年
[编辑]假如宇宙是平面的（即Ω=1），在10^1500年到10^10^10^56年，量子穿隧效应所导致的核聚变应使小于铁物质融合成铁-56，而自发裂变和核衰变也应使大于铁的物质衰变成铁。[6]
量子穿隧效应至量子涨落：10^10^10^56年到10^10^10^76年
[编辑]有可能可以通过随机的量子穿隧效应或量子涨落，在大约10^10^10^56年内创建另一个宇宙。[7]在很长一段时间内，会通过庞加莱始态复现定理、热涨落和涨落定理，导致自发的熵值减少。
铁星坍缩成中子星：10^10^10^76年到以后
[编辑]10^10^10^76年到以后。量子穿隧效应也应该将大物体变成黑洞。根据所做的假设，这种情况发生的时间可以从10^10^10^76年到以后计算。量子穿隧效应也可能使铁星在大约年内坍缩成中子星。
分歧之二
[编辑]以较新的观测所知宇宙常数，和以质子寿命无限为前提假设，有强大的暗能量不断加速，这样宇宙的整体熵极大，所以微观物质很少改变，但长远来说宏观物体难以保持现状。这仍然属于热寂的结论之一。这样的宇宙的预期寿命远较其他假设为短，估计约102500年便会崩溃而不适合维持生物的存活。
反对观点
[编辑]反论之一
[编辑]路德维希·玻尔兹曼早在1872年就提出了“涨落说”对热寂说予以反驳，即整个宇宙的熵若正好为最大值则在概率学上同样为极低概率事件，因此整个宇宙的熵只是长期保持在一个比较大的状态内按照一定的概率规律进行起伏的“涨落”变化，因此不会把所有能量都变为热能。而且在这种情况下有时出现的“熵减现象”甚至能推动生命的产生与进化。[8]
反论之二
[编辑]有观点认为热寂说单纯地考虑热力学第二定律，没有考虑到引力效应，而引力系统是负比热容系统，不存在稳定的平衡态。[9]
反论之三
[编辑]在热寂论中，因发光体不存在，只有高质量的暗物质，全宇宙将会永恒地处在完全黑暗的状态之下。但有观点认为此情形下可能很难会一直持续下去，到102500年，比上一种模型更可能因为零点能作用产生大撕裂，甚至产生新的宇宙大爆炸。
参考文献
[编辑]- ^ Laws of Thermodynamics （页面存档备份，存于互联网档案馆） Thompson and Clausius, Oxford University Press, 2015.
- ^ 2.0 2.1 Thomson, Sir William. On the Age of the Sun's Heat. Macmillan's Magazine. Vol. 5. 5 March 1862: 388–93 [2022-11-30]. （原始内容存档于2022-02-05）.
- ^ Thomson, William.（1951）. "On the Dynamical Theory of Heat （页面存档备份，存于互联网档案馆）, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam." Excerpts. [§§1-14 & §§99-100], Transactions of the Royal Society of Edinburgh, March, 1851; and Philosophical Magazine IV. 1852, [from Mathematical and Physical Papers, vol. i, art. XLVIII, pp. 174]
- ^ Physics Chronology. （原始内容存档于22 May 2011）.
- ^ Physics Timeline 互联网档案馆的存档，存档日期2007-06-09.（Helmholtz and Heat Death, 1854）
- ^ 6.0 6.1 Time without end: Physics and biology in an open universe, Freeman J. Dyson, Reviews of Modern Physics 51（1979）, pp. 447–460, doi:10.1103/RevModPhys.51.447.
- ^
Carroll, Sean M.; Chen, Jennifer. Spontaneous Inflation and Origin of the Arrow of Time. October 2004. arXiv:hep-th/0410270
.Bibcode：2004hep.th...10270C
- ^ Von dem c. M. Ludwig Boltzmann in Graz Sitzb. d. Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften,mathematich-naturwissen Cl. LXXVI, Abt II, 1877, pp. 373-435.
- ^ 程龙。热力学观点下的引力理论及其相关研究[D].南昌：南昌大学理学院物理系，2012.
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