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万有引力使熵减小,表明熵会自发减小吗? 第1页

  

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关于引力系统中的熵的变化,误解非常之深。一个典型的说法就是,因为广域的引力场存在,使得熵增原理不再成立,因而热力学第二定律不适用于整个宇宙系统,所以热寂说也就不成立。

这绝对是错误的。

首先,必须清楚明白一点,热力学第二定律是我们已知的最基本的普适定律之一。事实上,在包括爱因斯坦和霍金等著名科学家看来,前面这句话中的“之一”二字纯粹多余。很多人认为,第二定律的位置甚至要早第一定律之上。

也就是说,直至人类对自然界认识的现在水平,熵增原理一直是普适的,基本的,不可打破的。引力不会在一个孤立系统中引起自发的熵减。在星系,银河系,哪怕是整个宇宙系统,按照人类现有的发现水平,热力学第二定律都是成立的。

一个比较误导的说法就是,星云自发地形成星系,在这个过程中,一团均一的气体形成了有规律运动的星系,那么很显然,“混乱度”大大下降了,星云自发地从无序状态变为有序状态,难道不是熵减少了吗?

当然不是。

星云在形成星系的过程中,随着物质的集中,整个系统引力势能降低,根据能量守恒,它的动能必然增加。这些动能的增加最终无可避免地转化为热。使得星球的温度升高 - 如果你对热力学比较熟悉,你立刻就会认识到,这中间存在能量耗散,必然是个熵增过程。

有人利用了理想气体模型来计算它的熵,得到星云收缩必然熵减的结论,这无疑是极其错误的。且不说平衡态的熵定义在这里能否使用的问题,这个逻辑中的缺陷就是,根据位力定理,如果想使得一团稳定的星云发生收缩而形成星系,必然要向外大量辐射热量。这些辐射将会导致整个宇宙的熵大大增加。

很多人指出过,引力系统是一个负热容的系统。也就是说,当它向外散热时,它的温度升高。我们可以简单地把星云收缩过程这样来描述:

1、星云收缩,势能降低,导致动能增加,温度上升;

2、温度上升导致向外辐射增加,使得星云能量下降,星云继续收缩;

3、继续收缩将会重复过程1,温度继续上升;

4、继续向外辐射,继续收缩;

5、……

我们可以发现,这种负热容的系统永远不会达到热力学平衡,它会一直收缩、升温、辐射。虽然我们只看星云系统,它的熵会降低,但是这仅仅是局部的,不要忘了,收缩过程中大量的辐射是一个熵增过程,他将远远超过星云本身的熵减。整体来看,这个过程是熵增的

引力系统的负热容性质给我们带来的可能的新观念,不是说熵可以自发降低,而是说熵不存在上限。如前所述,负热容体系是一个不稳定系统,它将持续收缩,永远达不到一个平衡态。这意味着,宇宙中的总熵虽然在持续增加,但是这种熵增永远没有尽头 - 不会热寂。




  

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