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宇宙未来走向哪里“熵”证实从有序到无序

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发表于 2017-3-22 21:33:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
  世间万物总是会从有序到无序,为何会这样?

  地球上一切看似稳定的节奏,甚至夜空中常见的月亮都在变化,这些变化逐渐积累,时间箭头推动着宇宙的演化。宇宙并非陷入无休止的循环,而是不可逆转地迈向未来。宇宙的演变经历了许多不同的时期,每一个漫长的时期都有其独特的起止标志。

  三百万年前,地球上还没有人类,五十亿年前宇宙中还没有地球。但是,宇宙的历史更为悠久,巨大的时间跨度让我们回到近一百四十亿年前,一个古老而原始的时期,那时的宇宙与现在大不相同。

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  那个遥远的时期,深深吸引着天文学家尼亚尔-坦维尔。越是向太空深处探索,他看到的过去便更加遥远。当我们观察太空深处时,会看到光历经漫长的时间向我们传播,光的速度非常快,但星系之间隔得非常远,光也需要几百万年甚至几十亿年才能到达地球。这意味着,我们观察远处的星体时其实也是在看向过去。


  第一批恒星的出现时宇宙演化历程中最重要的转折点,而如今的宇宙里满是恒星,多不胜数,星光赐予我们白昼,装饰我们的夜空。但是,既然恒星时代有起始,依照时间箭头指示,它必然要有终结,可是为什么一定要这样呢?为什么会存在时间箭头呢?


  科学家认为,了解时间箭头的关键在于探索我们眼前的这个世界,时间箭头的力量在这里清晰可见。在我们的可见世界中,万物总归会逐渐变得紊乱,而不会历久弥新,这是一个非常基本的事实,但为什么会这样?

  时间箭头决定万物将紊乱,破碎,归于尘埃,万物都会老化,这是我们基本的人生体验。令人惊讶的是,这其中的缘由非常简单,只用一桶沙土就可以说明。

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  为什么我们总是看到事物日渐紊乱,而不是更有条理?为什么有这样一个时间箭头总是指向无序状态。为了说明这一点,我们只需要堆一个沙堡,而如果要建造沙堡这样规整的东西,就必须确保沙子全部准确就位,只需要一个沙堡的模型,把沙子装进去,然后拿走模型就可以了,这样就会形成一个规整的建筑,里面的每颗沙粒都必须符合一定秩序才能形成一座沙堡。


  但是如果我们不管沙堡,沙粒就会被风吹散,但也存在着微乎其微的可能,在一粒沙被吹走时,另一粒沙子刚好吹过来,恰巧补上吹走的沙粒,但这几乎是不可能的。


  要实现这一点,每粒沙子都必须被吹到特定的位置,而通常情况下,风只会把沙堡吹散,变成一座沙丘,因为要形成沙丘,只需沙粒随意散落。如果要堆沙丘,堆一个小沙丘,只要随意撒些沙子就行了,最后堆成的东西总归会有一个沙丘的大致形状。

  当然一栋规则的建筑,如沙堡,也可能由风天然吹筑而成,只是这种可能性接近于零。而正因为可能性极低,所以我们在日常生活中从没见过。当然,时间箭头的规律不仅仅适用于沙堡,事实上,它适用于宇宙中的万物。

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  随着时光流逝,万物总是会变得无序,这也是一条基本的自然规律,也就是物理学家所说的“熵”。随着时间推进,一切都会逐渐变得无序,这也就给了时间一个确定的方向,把过去与未来区分开来,过去比较有序,而未来不可避免地变得无序。


  宇宙是由无序走向有序还是由有序走向无序?


  根据熵的增的增加原理,所有过程都是朝着从有序向无序的方向发展的。宇宙起源于大约137亿前一个大爆诈的火球。大爆炸之初宇宙的所有质量能量集中于一点,温度相当高,能量的有序度也最高,随着时间的推移,能量消散,星云退行,温度降低,实际一切朝着热平衡的方向发展,能量的有序度越来越低,也就是宇宙的熵在增加。如果宇宙一直这样膨胀下去,亿万年后,宇宙将会烟消云散,能源耗尽,热传递趋于平衡,一切走向死寂。


  但现代科学发宇宙中存在喑物质,宇宙总质量还不清楚,如果宇宙的总质量超过某一临界值,在万有引力的作用下,将来宇宙也可能转膨胀为收缩。
  是由有序走向无序的。原因如下:首先,要理解什么是有序,什么是无序。有序是指物质的系统结构或运动是确定的、有规则的。某种意义上来讲,即有序是动态的、变化的。
  无序是指统结构和过程的不规律性,亦表明其混沌程度。举个例子,设想有一组10个硬币,每一个硬币有两面,掷硬币时一次性得到最有规律的状态是10个都是正面或10个都是反面,这两种状态都只有一种构型(排列)。

  这个就叫做有序。反之,如果是最混乱的情况,有5个正面5个反面,那么你抛的次数多了,排列构型可以有 252 种。(参见排列组合数学),这个就叫做无序。
  有一个物理学的物理量是专门描述有序跟无序的:熵。熵(entropy)指的是体系的混乱的程度,物理学上的准确定义是指热能除以温度所得的商,即熵=热能/温度,标志热量转化为功的程度。

  熵越大,体系越混论,即越无序,反之体系越有序。为什么宇宙的趋势是由有序走向无序呢?这个要从宇宙的起源以及热力学的第二定律开始说起。
  宇宙的诞生是由大爆炸开始的,在爆炸初期具有接近无穷高的温度的状态,这个时候是特定的一种状态,拥有最高的有序。即最低的熵。

  宇宙的初始温度接近无穷大,所以熵也非常低。随着时间的增加,宇宙不断膨胀,温度逐渐下降,物质也逐渐走向均匀,宇宙的运动变化不断减少,最终因为所有恒星都在以同样方式放散热能,能源将会枯竭,再没有任何可以作功的能源,达到“热寂”状态,此时为最高的无序,即最高的熵因此宇宙的最后是高度无序的。

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