跟胖哥學物理 熱力學第二定律與熱寂說

感謝邀請和閱讀，胖哥一直強調，所有物理規律都有一個定義域。我們現在從實驗中發現一些物理定律或者利用數學方法推匯出來的定理，都是基於某一種現象，滿足一定條件，離開這個條件，規律自然也不一定成立。所以物理學是不是絕對正確，應該說不是，它只是真理在一定層次上接近。

熱力學幾大定律中，並沒有談到宇宙中物質是否在衰減，所以提問者估計談是孤立系統問題，這是一個從能量導引出來問題。

首先，我們來看什麼是系統? 熱力學中，根據所研究問題的需要，可人為選取一定範圍內的物質作為研究物件，稱此研究物件為熱力系統，建成熱力系或系統。熱力學物質以外的物質稱為外界。熱力系與外界的交介面稱為邊界。根據熱力系與外界相互作用情況的不同，熱力系可分為閉口系（熱力系與外界無物質交換的系統）開口系（熱力系與外界有物質交換的系統）絕熱系（熱力系與外界無熱量交換的系統）孤立系熱力系與外界無任何能量和熱量交換的系統）簡單可壓縮系。

在來看熱力學是如何看待孤立系統的，根據熱力學第二定律（孤立系統熵增原理）：孤立系統內部發生不可逆變化時，孤立系的熵增大，極限情況時（可逆），熵保持不變。熵增原理指出：凡是使孤立系統總熵減小的過程是不可能發生的。

根據熱二定律，一切實際過程都不可逆。所以，不可逆使孤立系熵增大。孤立系統中一切過程均不改變其總內部儲能，即任意過程中能量守恆。但各種不可逆過程均可造成機械能損失，而任何不可逆過程均是ΔSiso>0，所以熵可反映某種物質的共同屬性——即熵增的本質：孤立系熵增意味機械能損失。

由此可以看出，當我們把整個宇宙作為一個孤立系統時，則整個宇宙做功的本領不斷喪失，而內能越來越平均，發展到最後，宇宙就只有一個溫度，一個壓力……等，即宇宙間再無差異，於是宇宙走向滅亡。這就是19世紀初“熱寂說”理論的依據。

熱寂說”是熱力學第二定律的宇宙學推論，這一推論是否正確，引起了科學界和哲學界一百多年持續不斷的爭論。由於涉及到宇宙未來、人類命運等重大問題，因而它所波及和影響的範圍已經遠遠超出了科學界和哲學界，成了近代史上一樁最令人懊惱的文化疑案。熱寂說利用熱力學第二定律中的“熵增加原理”，將整個宇宙當成一個孤立系統，認為宇宙的熵會趨向極大，最終達到熱平衡狀態，即宇宙每個地方的溫度都相等。

熱寂說源於開爾文，也就是熱力學單位那個人。1852年4月19日，開爾文在《愛丁堡《論自然界中機械能散逸的普遍趨勢》一文指出：“在現今，在物質世界中進行著使機械能散失的普遍趨勢……在將要到來的一個有限時期內，除非採取或將採取某些目前世界上已知的並正在遵循的規律所不能接受的措施，否則地球必將開始不適合人類像目前這樣居住下去”。在這篇論文中，開爾文首次指出，從卡諾定理可以得出一個明顯的結果，即當熱從熱的物體傳到比較冷的物體時，就存在著機械能不可能完全恢復的耗散現象。在自然界中普遍存在的這種不可逆轉的機械能的耗散趨向，必然造成宇宙中熱量的不斷增加。其直接後果是，地球必將“不適合人類像目前這樣居住下去”。

根據筆者推測，提問者所謂衰減，其實估計他意思就是宇宙中做功能力減少，並不是物質本身一種衰減。因為當整個宇宙中差異性沒有後，這個宇宙就會走向毀滅。

其實，開爾文“熱寂說”根據熱二定律推匯出來，僅僅是一種觀點或者假說，很快遭到大量科學家批判，因為他沒有考慮到熱力學第二定律是有條件的，只有在定義域內才成立!

熱力學第一、二定律，只適合有限空間、有限物系，而宇宙是無限空間，無限物系，因而熱力學定律不能推廣到整個宇宙。

實際上，科學發展到現在，人類已經進入粒子時代，在開爾文時代沒有一些現象譬如反物質、負能量的出現，我們的確用目前掌握的物理定律解釋不了許多的現象。

物理規律一定要把握它定義域，把它放大都不是對自然一種尊重，隨著科學進步，人類會對無限空間和無限物繫有更深層次認識，那樣才能還原無盡宇宙普通真理，這需要幾代人努力!

2018月12月18日於宜昌夷陵吾同齋

在宇宙把膨脹過程中，粒子確實是在不停的衰變，舉個常規例子，中子衰變為質子、電子、反中微子，然後形成了我們電磁世界。實際上，我們可以將粒子加速器中尋找到的高能粒子，當作宇宙在過去更高能量密度狀態時的穩定粒子！所以粒子衰變確實是普遍存在的！

但粒子並非只能分裂而不能聚合，比如核聚變就是形成如此多種元素的推手！

熱力學有四條基本定律，分別是能量守恆、熵增、絕對零度、熱平衡定律！

粒子衰變時，遵守能量守恆定律、衰變後熵是增加的！

顯然：若物質衰變，就必有熵增加，那麼宇宙就必是一個封閉系統，這個命題成立麼？

▲無數星系團構成的宇宙圖景依然是撲朔迷離

這就要給出——宇宙的精準定義。現在，不妨順著以下的思路，刨根問底。

宇宙是不是一個無限大的封閉系統？

按常規思維，宇宙是無邊無際的。這裡有一個二難推理：

如果：宇宙沒有邊界，就不可能有可交流的外在環境，就只能是一個封閉系統；

如果：宇宙是一個封閉系統，就有一個可封閉的邊界，這又與無邊界自相矛盾。

▲愛因斯坦廣義相對論，基於馬赫原理的“有限無界”的黎曼空間的宇宙模型。

由此，只能定義：宇宙是一個有界無限的封閉系統。當然，這是一個自相矛盾的定義。

換句話說，宇宙不是一個封閉系統。根據排中律，只能逼出一個邏輯自洽的推論：

定理1：宇宙不是一個無限大的封閉系統。

因為：無限大系統與封閉系統是自相矛盾的。

定理2：宇宙不是一個有界無限的系統。

因為：有界系統與無界系統也是自相矛盾的。

定理3：宇宙是一個無界無限的開放系統。

因為：無界系統與無限系統都是開放的。

宇宙作為開放系統的熱力學性質

總則：既然已經證明，宇宙是一個無限大的開放系統，那麼根據熱力學第二定律，宇宙就不可能是一個絕對熵增加的封閉體系。

性質1：宇宙所含的子系統都是開放系統，或者說，自然界不存在封閉系統。

推論：宇宙中的所有子系統，不管是不是巢狀結構的漩渦體系，都是開放系統。

性質2：熵增加與熵減少，作為宇宙運動的兩個側面，處於一種相對的動態平衡狀態。

恆星的演化史表明：不斷吸積宇宙塵埃與流星雨，表徵為熵減少運動；不斷噴射大量高溫等離子體，不斷輻射大量電磁波，表徵為熵增加運動。

▲天文物理學家模擬暗物質圖景——混沌態

注意：開放系統的熵增減之間，不存在絕對的動態平衡，要麼熵增佔優，要麼熵減佔優。

性質3：足夠遠之外的無限大空間，必然處於熵值最大的絕對真空的絕對混沌態。

解釋1：絕對混沌態，是宇宙極遠空間的獨特存在形式，而任何子系統沒有混沌態。

解釋2：太陽系、銀河系、仙女座星系團、本總星系團的邊遠圈層，皆不存在絕對混沌態。

解釋3：絕對混沌態，是理想的物理模型，是不可能也不必要做科學測量的。

▲這種奇葩的宇宙混沌圖景有點匪夷所思答案：宇宙中的物質不可能一直衰變

理由1：宇宙中物質存在與宇宙子系統中，而每個子系統都是開放系統。

理由2：開放系統的物質，總是要與外界環境或其它系統發生質量/能量/介質的交流，就不可避免發生碰撞/吸積/凝聚/塌陷等熵減少行為。

理由3：即使在宇宙邊遠混沌帶，可能有物質全部彌散為絕對真空場。但是，因為不可能被測量與統計出來，故，這種可能性視同不存在。

物理新視野，旨在建設性新思維，共同切磋物理/邏輯/雙語的疑難問題。