宇宙不会热寂的两种证明.doc

宇宙不会热寂的两种证明2011级专升本（物理学班）：黄桂文摘要：本文从两个方面说明了宇宙不会热寂，第一方面是将宇宙看成一个长方体，并将其用一个截面一分为二，从星球动量输运的角度说明宇宙不会热寂；第二方面是从熵增原理出发，简要说明宇宙不会热寂。关键词：能量；动量；热寂说；熵Abstract:In this paper, two aspects will explain that the universe does not heat death, the first a-spect of the universe as a cuboid and use a cross-section to divide into two, explain that the univer-se will not heat death from the perspective of the momentum transport of the planet; The second departure show that the universe does not heat death from the principle of entrop increase briefly.Key words:energy;momentum;heat death; theentropy引言汤姆孙（即开尔文）和克劳修斯分别在1852年和1865年提出“热寂说”。他们认为，在自然界中占统治地位的趋向是其它形式的能量转化为内能，温度不同的物体之间又趋于热平衡1-3。因此，随着时间的推移，宇宙中最后必然只有一种形式的能量内能，并且宇宙中温度处处相等。这时宇宙中任何变化都不能发生，从而进入一个死寂的永恒状态。当然，现在大家都知道“热寂说”是一种谬论，但作为学术探讨，本文将通过数学推导以及能量转化的分析两方面说明宇宙不会热寂。0 将方体模型赋予宇宙孤立系是指与外界既无物质交换也无能量交换的系统。而宇宙是一个无限大的系统，可以这样说，宇宙之外还是宇宙，为什么这样说呢？朱振和在1999年提出如下的观点：“大爆炸”理论只是对“宇宙”的一个近似描述因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些“宇宙”不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把它们外推到“宇宙”创生之初及遥远的未来，则失误更大也就是说，无限的宇宙是由无数个有限的“宇宙”组成的，我们只是对我们所在的这个“宇宙”作了非常有限的观测，观测的范围不超过100多亿光年4，所以，即使宇宙与外面有能量或者物质的交换，这些物质或能量也没有逃出宇宙本身这个大系统，因此可以认为宇宙本身也是一个孤立系。其次，宇宙本身无限大，宇宙中的星球数量趋于无穷，而星球体积相对于整个宇宙而言也是非常之渺小的，这样，宇宙可以看成一个大的物体，而其中的星球则可以看成是很小的分子，本文将把宇宙模型化为一个巨大的长方体空间。如上图所示这个长方体空间就是一个孤立无限大的空间，没有边界。1 从星球输运动量的角度推导说明宇宙不会热寂在无限大空间内部作一任意假想截面，并建立直角坐标OXYZ，如上图所示。计算在时间内由于星球运动穿过面的星球所输运的动量的X分量。设星球数密度为n，则在单位体积内速度介于，的星球数为。在这些星球中，凡处于以为底，为高的柱体内的星球，在时间内皆可穿过面。在此体积内具备上述条件的星球数为5。它们在时间内通过面积所输运的动量的X分量为 5(每一个这样的星球，穿过.而输运的动量X的分量为)将速度分布函数 5代入则为时间内来自左侧的所有星球穿过面使右侧得到的动量的X分量为同理可得，由于右侧所有星球穿过面去到左侧，而使右侧失去的动量为于是，右侧静得的动量将以上各项积分结果代入整理可得回过头来看热寂说的本质，热寂说宇宙中最后必然只有一种形式的能量内能，并且宇宙中温度处处相等，既然热寂之时还存在温度，那么由上面的推导结果可知，如果宇宙热寂了，那么在热寂之时在宇宙的任意某个区域不为零，即还存在净得的动量，存在，顺着上面的数学推导反推回去，就必然会得到一个星球的速度,这样，由就可以毫不犹豫的断定宇宙中动能的存在6。这样，根据宇宙如果热寂的这种假设得到的却是与热寂完全相反的宇宙状态，所以宇宙不会热寂。2 从熵增原理说明宇宙不会热寂熵是19世纪60年代德国物理学家克劳修斯作为热力学的一个概念提出来的。熵可以表示物质系统中的能量衰竭过程。其数学表达式为：，即熵的微小增量等于可逆过程从态到X态中吸收的热量与热源温度之比。1856年他将这个结论推广到不可逆过程，得出热力学系统的熵增加原理：.即孤立系统不可逆过程，由初态到终态熵将增加。通过这个原理可以对过程的性质和方向进行判断，因此认为熵增原理是热力学第二定律的数学表述。熵增原理的推论“能量退化论”认为：由于孤立系统中的熵只增不减，能量做功的品质在不断下降。即熵的增加导致了能量的贬值。这是热寂说的理论支柱。但是熵增原理是热力学第二定律的数学表述，而热力学第二定律并非普适定律,不能将其推广到整个宇宙，因此，从这个角度讲，热寂说也说不通。从宇宙大爆炸的角度看，似乎宇宙的熵在不断增大，宇宙终会热寂，但宇宙每一瞬间都在膨胀，即每一瞬间都对应一个新的宇宙，因此每一瞬间都对应一个致使宇宙热寂的新的熵极大值，而且这一极大值的增加总是先于宇宙实际的熵的增加，即宇宙的熵增小于熵极大值的增加，因此宇宙永远不会热寂。7-103 结论综合1、2中的证明，都说明了宇宙会热寂的论断的不可能性和不科学性，从而更加肯定了宇宙不会热寂的正确性，有很多文章都从能量的转化或者系统的熵增加的角度来批判“热寂说”，本文也是从这两个角度出发来进行探讨的，但第一种证明与众不同的是只从星球输运动量的角度来说明问题，除了动能和内能不提及其它能量。第二种证明主要从熵增原理出发，证明的方法比较大众化，但是殊途同归，可见，我们不但能够证明宇宙不会热寂，而且还能从不同的角度出发证明宇宙不会热寂，这也足以说明热寂说的普遍不适用性和荒谬性。参考文献：1韩春柏.热寂说的兴衰与社会影响J.现代物理知识.1996,8(2).-5-7.2何维杰，刘利辉.热寂说的提出及影响J.湖南大学学报：社会科学版.2008,22(5).-108-102.3韩春柏，左振川.关于热寂说的历史及其思考.J.河北师范学院学报：自然科学版.1992(3).-85-88.4朱振和.“热寂说”、“宇宙”和宇宙J.中央民族大学学报：自然科学版.2005,14(1).-64-68.5黄淑清、聂宜如、申先甲.热学教程（第二版）M.北京：高等教育出版社.1994.-279-281.6吴洁.从运动形式的无限性谈“热寂说”错误J.殷都学刊.1994(4).-21-22.7赵晓凤.“热寂说”及其否定J榆林学院学报.2006,16(2).-21-23,20.8赵平关于“宇宙热寂说”之商榷J科学（中文版）.2000(4).-35-35.9张建树，孙秀泉.宇宙热寂说研究进展J.西北大学学报：自然科学版.1997,27(2).-133-136.10张栓珠.论克劳修斯的“热寂说”J.晋东南师专学报.1996(3).-18-24,51.致谢本论文是在贵州师范大学老师的亲切关怀和指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到论文的定稿，师大老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在进入专升本学习以来，师大老师不仅在学业上给我们以精心指导，