年齡一百四十億年的宇宙,卻有四百六十億光年的半徑,這的確很奇怪。
如果宇宙的年齡僅有一百四十億年,按大爆炸理論的說法,宇宙又是誕生自密度無窮大的奇點(diǎn),那么,今天的宇宙怎可能有四百六十億年的半徑,難道說,宇宙非但在持續(xù)膨脹,這膨脹的速度,還會快過宇宙中公認(rèn)最快的物理現(xiàn)象光,這可能嗎。
按一般意義的理解,物質(zhì)要超過光速,就是笑談,但宇宙膨脹的速度恰恰就是如此。
超光速膨脹,為什么宇宙膨脹的速度可以超越每秒299792公里,方然倒有一些認(rèn)識,這是因?yàn)橛钪娴呐蛎洠⒎峭ǔR饬x上的天體互相遠(yuǎn)離也就是天體自身的運(yùn)動,而是這些天體所處的時(shí)空本身在擴(kuò)張。
時(shí)空的擴(kuò)張,或者說,運(yùn)動,顯然和一切客觀存在的物質(zhì)不同
不受光速上限的約束,也不奇怪。
從宇宙大爆炸一直到今天,一百四十億年來,宇宙本身始終在以超越光速的速度向外擴(kuò)張,這種事,哪怕物理專業(yè)的學(xué)生都不太容易摹想,而時(shí)常會發(fā)出“宇宙在哪里擴(kuò)張,宇宙之外是什么”的怪異詰問。
這些問題,教師們的解答千篇一律,方然也沒空去深究。
他只知道,所謂“宇宙之外”,
本身就是一種毫無意義的表述。
不管這所謂的“宇宙之外”到底想表達(dá)什么意思,那種存在,顯然已超越了人類的觀測和分析手段,是窮盡任何構(gòu)想也絕對無法接觸的,事實(shí)上根本就不存在的東西。
某種意義上,正與“針尖上的天使”大致仿佛,不管圍繞這定義如何思考,辯論,本質(zhì)上都是在假想風(fēng)車,然后對著空氣揮動矛槍。
總而言之,宇宙,目前呈現(xiàn)一種減速膨脹,持續(xù)擴(kuò)張的面貌,這就夠了。
跟隨理查德費(fèi)曼的思路,讓方然確信,至少按目前的科學(xué)觀測來看,宇宙步入“大擠壓”的可能性幾乎不存在。
即便這樣的表述,對一個(gè)意在永不下車的人來講,是否足夠保險(xiǎn),還不好說,但和莫須有的回歸奇點(diǎn)相比,另外一種結(jié)局:熱寂,出現(xiàn)的概率卻大得多,于是他用插話的方式提醒費(fèi)曼,他們正討論的并非天文,而是熱力學(xué)定律描繪的宇宙圖景。
“啊,關(guān)于熱寂,這是熱力學(xué)定律的直接推論
但很遺憾,關(guān)于宇宙終將變?yōu)橐黄兰牛卦黾拥阶畲蟆⒃僖矡o法提升的設(shè)想,是片面的。”
注意到方然的表情變化,教授略感疑惑。
說起來,這學(xué)生為什么對宇宙、熱寂這些概念如此關(guān)注,甚至還“如釋重負(fù)”呢。
格外專注的眼神,在很多物理系的學(xué)生眼中都見不到,莫非他是一個(gè)業(yè)余物理愛好者不成,最好別,那種人可真是難纏得很:
“用熱力學(xué)定律,推導(dǎo)出宇宙的暗淡結(jié)局,這可一點(diǎn)也不有趣。
問題在于,正如我們剛剛還在討論的,分析宇宙的演化,就不能忽略一個(gè)非常關(guān)鍵的事實(shí):
宇宙膨脹。
熱力學(xué)定律,哦,這里主要是指第二定律,本身是很簡單:
在孤立系統(tǒng)中,熱量只能從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體,而無法自發(fā)的逆向轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)在系統(tǒng)的熵值上,只能增大,而絕對無法自行減小
道理是這樣沒錯(cuò),但,年輕人
你還記得物理課本上孤立系統(tǒng)的定義嗎。”
“孤立系統(tǒng)……”
和孤立系統(tǒng)有什么關(guān)系呢,方然隨口便答,這些基礎(chǔ)概念他很扎實(shí):
“定義上講,是一類與外界不存在任何物質(zhì)、或能量交換的系統(tǒng),在分析熱力學(xué)問題時(shí),孤立系統(tǒng)無需考慮外界的影響。”
“正是如此。
在一百多年前,路德維希玻爾茲曼先生在研究時(shí),就敏銳的指出,熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的研究前提,必須對系統(tǒng)進(jìn)行精確的分類
熱力學(xué)第二定律的所謂熱寂,很明顯,只對孤立系統(tǒng)才成立,但是……”
“但是,宇宙本身,難道不是一個(gè)孤立系統(tǒng)嗎。”
孤立系統(tǒng),和許許多多的物理概念一樣,都是憑空設(shè)想、而非真實(shí)存在的物理模型,不過方然記得,物理教師的確說過,根據(jù)人類現(xiàn)有的認(rèn)識,可以把宇宙看成一個(gè)孤立系統(tǒng),因?yàn)樵诓粩嗯蛎浀挠钪嬷猓笆裁匆矝]有”。
宇宙以外,什么都不存在,這看似十分符合孤立系統(tǒng)的定義。
中學(xué)時(shí)代的物理教育,不甚系統(tǒng),進(jìn)入伯克利后一直學(xué)習(xí)的物理,也偏重于實(shí)用,方然對“宇宙是孤立系統(tǒng)”的認(rèn)識也沒有更新,直到現(xiàn)在,藉由理查德費(fèi)曼之口,他才忽然間意識到,熱力學(xué)定律并不能直接套用到所謂“孤立”的宇宙身上。
“是的,將宇宙看做一個(gè)孤立系統(tǒng),這并沒有問題。
但、年輕人,你就沒考慮過,這孤立系統(tǒng)的行為和書本上描述的大有區(qū)別、并不適用熱力學(xué)第二定律嗎?
原因很淺顯,這系統(tǒng),它的空間尺度可是一直在變化的,因?yàn)闀r(shí)空本身,就來自于宇宙大爆炸、和其后的持續(xù)膨脹啊。”
“是……是這樣嗎。”
一語中的,方然的知識儲備讓他理解了費(fèi)曼教授的思路,皺眉思考片刻,好像還真的是這樣。
宇宙,和理想情況下的孤立系統(tǒng),區(qū)別究竟在哪,在于宇宙本身就蘊(yùn)含著時(shí)空的概念:持續(xù)膨脹的宇宙,雖然與未可知的外界沒有任何物質(zhì)、或能量的交換,本身占據(jù)的空間卻越來越大,其行為,也必然與尋常的孤立系統(tǒng)迥異。
一般意義上的孤立系統(tǒng),定義上,著眼的是物質(zhì)和能量。
至于體積上的改變,倒不是無法研究,而是萬變不離其宗,并不影響熱力學(xué)的結(jié)論。
譬如氣缸,其容積可以隨活塞的運(yùn)動而變,進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的熵變化,當(dāng)容積擴(kuò)大時(shí),從氣缸空間的總體上考慮,熵值的上限,顯然會因?yàn)榭臻g的增大而提高。
但這種變化,早晚會往復(fù)循環(huán),一次次回到起點(diǎn),容積持續(xù)擴(kuò)張、趨勢永遠(yuǎn)不變的氣缸是荒謬的。
但宇宙,卻恰恰就是如此。
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