4．热寂说佯谬

除了我们已认识到的两大宇宙学佯谬外，还有同热力学第二定律直接联系着的热力学佯谬，亦即宇宙热寂说。

热寂说最先由开尔文男爵提出。开尔文男爵原名叫威廉·汤姆森（William Thomson，1824—1907），是一位在北爱尔兰出生的英国数学物理学家和工程师。他是热力学的奠基人之一，他建立了热力学中的绝对温标，和克劳修斯分别独立地提出热力学第二定律。为了纪念他对热力学的贡献，绝对温度的单位以其命名，称为“开尔文”。在工程技术中，汤姆森解决了长距离海底电缆通信的一系列理论和技术问题，并且在1858年协助装设了第一条大西洋海底电缆。英国政府为此封他为爵士，并于1892年晋升为开尔文勋爵，开尔文这个名字才从此开始被人们所熟知。

热力学中有4个定律（分别称为第零、第一、第二、第三），其中的第二定律与系统演化的方向性有关。开尔文将热力学第二定律用于宇宙，从而推论出热寂说的假说 ^[11] 。

热力学第二定律并不神秘，叙述的是一个我们日常生活中司空见惯的事实：在一个孤立系统中，热量总是从高温物体传递到低温物体，比如图2-4-1（a）所示的小冰块放入水中后，热量从80℃的水传递到0℃的冰块，使其融化最后达到热平衡，成为一杯60℃的水。这个过程是不可逆的，意思就是说，反过来的过程绝对不会自动地发生。有谁见过放在桌子上的一杯温水，会突然自动地冻成冰块？

也可能有读者会琢磨：夏天结冰的事也并非没有啊，厨房里的冰箱不都天天产生出冰块来吗。的确是这样，但这已经不是我们物理中在叙述热力学第二定律时所强调的“孤立系统”了。如图2-4-1（b）所示，加进一个电冰箱后的“非孤立系统”从外界得到能量来对系统做功，强迫热量“反其道而行之”，从低温物体传向高温物体，逆过程方能实现。也就是说，根据热力学第二定律，一个孤立系统将自动地走向热平衡而不会反过来。一杯热茶放在房间里会逐渐将热量散发到空气中而变冷，却从来没有人看见过一杯冷水会自动地从房间空气中吸取热量而沸腾起来。孤立系统的最终结果是系统中所有部分的温度达到均衡。

为了给予热力学第二定律更好的数学表述，物理学家们在系统中引入了“熵”的概念，这个看起来有点古怪的名词，足以令人望而生畏。所谓熵，描述的是系统“无序”的程度。何谓无序？何谓有序？用例子来说明。欢度节日的人们拥挤在广场上观看焰火，人头攒动，争先恐后，可算是一种“无序”；国庆节的阅兵典礼，士兵们踏着整齐的步伐走过天安门，左看右看都整齐，那是“有序”。雪花结成各种六角形图案，比随意聚在一起的水分子更为“有序”。

如果将宇宙也当作一个“孤立”系统，会有什么结果呢？宇宙的熵会随着时间的流逝而增加，由有序走向无序，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，最终结果是没有变化、死寂一片。但是，宇宙热寂的错误结论是因为错误地将宇宙当成了一个“封闭孤立系统”，这就是宇宙学的热力学佯谬。

系统的“熵”可以描述系统无序的程度。因此，系统越是无序，熵的数值便越大。在图2-4-2（a）中，画出了3个简单系统从有序到无序的过渡。在这3种情形下，都是左边的状态比右边的状态更为“有序”，因此，左边状态具有的“熵”值更小。孤立系统总是从有序到无序，系统的熵只增不减，因此热力学第二定律也被称为熵增加定律。

但熵增加定律不能随便用于无限的宇宙，不能将宇宙作为一个孤立系统来处理。对非孤立系统而言，系统的状态并非总是从有序到无序。图2-4-2（b）中所举的地球上生命的进化过程以及宇宙中恒星演化，最后引力坍缩到白矮星、中子星或黑洞的过程，都是与热力学第二定律所预言的方向相反：从无序到有序的过程。宇宙的未来如何？是否仍然有走向热寂的可能性？这也是现代宇宙学的研究课题之一。 UC3xkOI48LB6DCZvcfdKfstJGClPZujoQFqsL3GKxPvr0Wz3j5DpJ9Y0zBL5lS/m