科学本质是逻辑，现实是对逻辑的偏离和回归:麦克斯韦模模糊糊、隐隐约约地意识到，自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制

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大爆炸前的宇宙.热寂说和宇宙学科学探秘 2010-02-05 10:32:58 阅读62 评论0 字号：大中小 订阅 .

宇宙最终将会“热寂”吗？

热寂说是开尔文和克劳修斯从机械能的不断耗散观点出发，认为各种形态的能量最终都会在与机械能的转化过程中，以热量的形式趋于平衡。开尔文认为机械能等于各种能，都要以热的形式最终耗散掉，这种能量转化在自然界中是不可逆的。这是他在1852年之后至1862年之间，逐步形成的一种看法，至1862年正式作为一种科学假说提出来的。克劳修根据类似的考虑，于1865年将热力学第二定律推广到宇宙，得出宇宙熵趋于极大值，并于1867年正式提出热寂说。认为：“在一切自然现象中，熵的总值永远只能增加而不能减少。于是到处不断进行的变化过程，可以下面的定律简短地表述：宇宙的熵趋于极大。宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态”。

“热寂说”是哲学上长期争论不休的一个问题，也是物理学上无法直接验证的问题。要探讨和研究热寂说，首先就必须搞清楚热力学第二定律的适用条件，还要认识到，“热寂说”的讨论与宇宙学（人们对宇宙的过去、现在和未来的认识）紧密相关。

首先对热寂说提出异议的，是麦克斯韦在它出现不久后提出的“麦克斯韦妖”。 麦克斯韦模模糊糊、隐隐约约地意识到，自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他当时无法清晰地说明这种机制。他只能假定一种“类人妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。这就是1871年出现的有名的理想实验“麦克斯韦妖”：

“现在让我们假定这一容器被一个带有一个小孔的间隔分成两部分，A和B，并且能看见单个分子的一个小生物打开和关闭这个小孔，以至于仅仅允许较快的分子从A通到B，和仅仅允许较慢的分子从B通到A。于是，它将不消耗功便能提高B的温度和降低A的温度，而与热力学第二定律矛盾。”

热力学第二定律并非普适定律，它只适用于具有两个前提条件的系统：一是：系统必须是孤立的，与外界没有物质和能量的交换，热量的流动和熵的计算不受其影响；二是：系统必须"从一个有序的状态启始"（《时间简史续编》，霍金著，第163页）。因为按照热力学第二定律的论断，系统一旦热平衡，就熵寂了，不再有任何活动。这两个前提条件都必需一应具备，缺少其中的任何一个，热力学第二定律都不适用。宇宙是否兼具这两个前提条件呢？首先，人们开始怀疑宇宙是否一个孤立系统，例如，有人认为这个宇宙也许是母宇宙上“长出”的子宇宙，在我们的宇宙之前、之外可能还有宇宙；还有人认为远处一个量子的跃迁就能使宇宙分岔，等等。即使宇宙是孤立的系统，它也不符合热力学第二定律所设定的必备的第二个前提。因为宇宙的启始并非非平衡态，相反是热平衡态。这早已被证实。1965年就已“发现宇宙沐浴在一种热辐射之中，这种辐射以相同的强度从空间的各个方面射向地球。它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况相符。这种辐射就是物理学家所熟知的‘黑体’辐射。由于符合的程度非常之好，因而不可能是一种巧合。由此我们得出这样的结论：宇宙曾一度处于平衡状态，处处都有相同的温度。”（《宇宙的最后三分钟》，保尔·戴维斯著，第18页-第19页）这一发现被普遍认为是宇宙确有大爆炸的有力证据。宇宙之初处于热平衡态有多长时间呢？也有解答：“大爆炸后30万年左右，宇宙的温度约为4000K，这足以使所有的物体汽化，并创造出热平衡所必须的熔炉条件。”（同上，第19页）所以宇宙大爆炸后直至30万年左右都处于热平衡态。按热力学第二定律所说，处于热平衡态的系统就不可能再有活动。而宇宙的实际是，大爆炸后一直在活动，可见热力学第二定律是不能套用于宇宙的。

宇宙热寂说是150年前提出的，当时人们不仅认为宇宙是静态的，依此推论其终结自然是物质虽然存在，而一切已热平衡，而且那时更不知道宇宙之初就是热平衡的，也不知道宇宙是以引力等系统工程宇宙自然常数进行自调控，由质子到原子、分子、星云、星系，生物、人类的进化史。这种未从事实和实际出发，仅凭类推法，将用于小尺寸的人工系统的一个定律和公式扩展到自然自调控的巨系统宇宙，就得出宇宙热寂说的做法，显然是不可取的。今天新宇宙学揭示：宇宙是动态的，物质是在大爆炸中诞生，不断演化的，它也并非永存。宇宙诞生之初是热平衡的，结束也是热平衡的，不仅中间的长时期是非平衡的，而且它还分为兴衰两段：前一段即有序膨胀期是不断地走向越来越非平衡，温差越来越大；后一段则是不断地走向热平衡，温差越来越小，直至物质逐渐消失。

从何可以证明宇宙前一段是不断地走向非平衡的呢？按热力学第二定律所指出的：一个孤立系统内部的温差会越来越小。而宇宙恰恰相反在有序膨胀期，内部的温差却在不断拉大。经过140亿年到现在背景辐射场的温度已降到2.7K，一般恒星内部的温度高达几百万K，两者的温差越来越大。一个星系中就有上千亿颗恒星。

与热寂说相抗衡的一些事实：

1. 生命过程

早在1866年，玻耳兹曼就注意到生物的生长过程与熵增加相拮抗的事实。他说：“生物为了生存而作的一般斗争，既不是为了物质，也不是为了能量，而是为了熵而斗争。植物铺开了它的面积大得不可计量的叶片，以一种尚未探明的方式，迫使太阳去完成我们在实验室中不知道如何完成的化学合成。”

1944年，著名的物理学家薛定锷（E.Schrodinger）提出了“生物赖负熵为生”的名言。他说：“要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境中不断地吸取负熵。”

2. 伯纳德花纹

1900年，法国的伯纳德(Bernard，Henri)首次发现了蜂巢状的自组织花纹。当两种气体的混合体由于加热而离开平衡态后，组织便会以一种简单浓度梯度的形式出现。如盛有氢气和硫化氢气体混合物的容器，使两端产生并保持一个很小的温度差，就会发现两种气体将逐渐分离，较轻的氢气多流向较热的一边，较重的硫化氢气则多聚集于较冷的一边，形成了各自的浓度梯度。这个现象表明，在不可逆的非平衡态过程中，可以产生出有序性。

3. 化学振荡

布雷(Bray，William)、图灵(Turing，Alan)、别洛索夫(Be-lousov，B.P.1893～1970)等人先后发现了化学振荡。虽然化学振荡谈不上具有一个可以变异、可以演化的遗传系统，但它有不少特点：诸如化学的新陈代谢，自我组织的结构，有节奏的活动，在某些极限以内的动态稳定，在这些极限以外的不可逆的解体，一个自然的寿命等等。

4. 耗散结构

本世纪40年代，普里高津（I．Prigoging）提出的耗散结构理论。耗散结构是指在远离平衡的条件下，借助于外界的能量流、质量流和信息流而维持的一种空间或时间的有序结构，它随着外界的输入而不断地变化，并能进行自组织，导致体系本身的熵减少。

5.黑洞

宇宙中散逸的辐射怎样才可以重新集中起来呢？许多人认为，在黑洞中集结起来的能量不一定是束缚能，而是可能转化和重新活动起来并释放出去的自由能。从外部供给黑洞的可以是高熵的质能，而黑洞的吸积和质能转化却可以把它们变成低熵的质能。从某种意义上来看，黑洞本身是可能产生负熵的，它并不需要从外部获得负熵流。阿西莫夫（I．Asimov）说：“在黑洞里，热力学第二定律被颠倒过来了，因而尽管宇宙的大多数区域是在衰亡，但黑洞里却在逐渐复兴。”

黑洞能导致宇宙的局部收缩，但还不足以与整个宇宙的膨胀相抗衡。宇宙膨胀是由宇宙大爆炸开始的，宇宙大爆炸通常被看作是宇宙熵增的本原。因此，要最终解决热寂论的问题，还必须找到宇宙收缩的机制。只有找到导致宇宙收缩的原因，宇宙热寂论的最后阵地才能被攻破了。但是人们无法找到导致宇宙收缩的原因，而且宇宙里是否真的有黑洞还有争议，实际上发现的黑洞似乎又太少了。

6. 宇宙坍缩

如果宇宙不是开放的，膨胀最终会停止下来，并且使所有的物质不可抗拒地回聚在一起，成为一个最终的奇点。果真如此，宇宙就是以大爆炸开始，而以大坍缩终结。在膨胀过程中，高度有序的大爆炸奇点，指向某种无序性最大的中间态；然后当宇宙开始向大坍缩--它看上去和大爆炸是同样高度有序的--收缩时便反转过来，即出现时间逆转的现象。这个看法受到了彭罗塞(Penrose，R.)的反驳。彭罗塞认为，即使在大坍缩的过程中，熵也是不断增加的，时间箭头依然不变。因为，"大爆炸"和"大坍缩"这两个宇宙奇点的结构是不等价的，即不对称的。当然，彭罗塞的这些看法，还只是一种有价值的猜想。

由于麦克斯韦妖只是一种猜想，当然不可能解决宇宙热寂论的问题。玻尔兹曼所说的绿色植物进行光合作用与熵增加相拮抗，则要求从阳光输入更多的负熵，也就是说，是以太阳的更大的熵增加为代价的。伯纳德花纹、化学振荡、耗散结构等，都依赖于从环境输入负熵而产生有序，因此，这种有序化是以环境中更大的熵增为代价的。如果把它们与其环境整个看成一个系统，那么这个系统是仍然要产生熵增加的。同时，它们也远远不足以与宇宙中极其巨大的熵增加过程相抗衡。至于黑洞和宇宙坍缩也没有统一的认识。尽管人们指责热寂说忽略了热力学第二定律的附加条件，把热力学第二定律滥用于整个宇宙。但是并没有任何人能从正面说明宇宙不会热寂的道理。于是，宇宙热寂论成了自然科学没有解决的一大疑难问题。

散逸到宇宙中的热是怎样重新集中起来的呢？事实证明，仅从原子和分子这个层次上，是无法解决这一问题的，我们必须把眼光扩大到暗物质和恒星这两个层次上才行。

1. 暗物质

从所掌握的资料来看，物质结构有一个重要的特点，那就是物质以不同的层次分布，这种分布是不连续的。目前，从微观上通常认为可分为分子、原子、原子核和电子所构成的微观层次，物质的层次是互相联系和无限可分的。任何一个物质层次无不都是上有更高的层次，下有更深的层次。层中有层，层层相联。任何一个物质层次只是无穷层次系列中的一个“关节点”，从而形成层次的等级性。某个层次总是由下一个或下几个层次所组成。比电子更小的层次目前还无法直接观察到，但人们并不怀疑它们的存在性。只好称为暗物质。因此，在我们的宇宙中各向同性地分布着许多这种暗物质，它们是以很高的速度作直线运动。

暗物质的存在终于在天文学上得到证实。人们根据光度定出的质量总比根据力学定出的质量要小得多。因此，一定存在着大量有力学效果而不发光的暗物质。例如，根据星系周围的物质转动曲线，发现宇宙大尺度范围内存在暗物质。计算表明，银河系的总质量至少比光学区的质量大10倍，即银河系的质量中至少有90%是属于暗物质。

2. 恒星演化

　　恒星发出的能量来源于核反应。德国的魏茨泽克和美国的贝特认为，可能存在以下两种核反应使氢转变为氦。

1）质子--质子反应。

这个反应分三个步骤：第一步是两个质子碰撞，放出一个正电子和一个中微子形成氘；第二步是由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦3；最后一步是由2个氦3碰撞形成氦核，最后一步是由2个氦3碰撞放出两个质子形成氦核，最终完成由氢核聚变为氦核的反应。这三个核反应都是放热反应。这一连串的反应过程，共有6个质子参与，最后形成1个氦核、2个质子、2个中微子、2个正电子和2个光子。同时释放24.158电子伏的能量。

2）碳--氮--氧循环

首先由碳核和一个质子碰撞，质子打入碳核使之变为氮的同位素 N(7,13),它是放射性的，很快放出正电子和中微子形成碳的同位素C(6,13),它和质子反应生成氮核。新的氮核和质子相碰撞形成氧同位素O(8,15), O(8,15)也是放射性的，它放出一个正电子和一个中微子后衰变成氮的同位素N(7,15);最后，N(7,15)和一个质子碰撞形成碳核和氦核。 这一系列的反应也都是放热反应，因此，只要有足够多的质子，就可以成为稳定的能源。碳--氮--氧循环的结果是4个质子合成一个氦核，同时产生2个正电子、 2个中微子和3个光子，释放出25.03兆电子伏特的能量。参与反应的碳元素在核反应前后没有发生任何变化，而氮、氧同位素只是在中间过程中产生又消失。

人们认为，当恒星里的氢耗尽后核反应会一个接着一个，氦聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、……，最后全部变成铁。然后恒星会崩溃而形成超新星爆发。

然而，除了氢聚变为氦，后面的核反应是不符合观察的事实的。

根据光谱分析，从天体的尺度看，氢与氦是最丰富的元素，两者之和占总质量的99％，其余的元素仅约占1％。对宇宙学特别有意义的是，在许多不同种类的天体上，例如在河外星系、银河系、太阳、木星和土星上，氢元素含量与氦元素含量之比竟是大体相同的，即二者质量之比约为3比1，不仅如此，赫罗图上早期的红巨星的晚期的白矮星也全都是这样。

在这里我们提出以下四个问题：

1）既然恒星里的氢耗尽后核反应会一个接着一个，氦聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、……，最后全部变成铁，为什么在众多的恒星里氢元素含量与氦元素含量之比都为3比1，在晚期的恒星中，为什么至今没有发现一颗恒星只含有少量的氢或含有大量的碳、氧、镁、氖、硫、和铁？

2）众多的恒星里氢元素含量与氦元素含量之比为什么都为约3比1？

3）恒星里的氢为什么不象氢弹一下子炸光？而是慢慢地聚合成氦？

4）恒星里的氢长久不衰，它是如何产生的和源源不断补充的？

3. 分析与综合

根据上述的证据综合分析如下：

1）大的天体中不断有氢生成。因为在河外星系、银河系、太阳、木星和土星上，氢元素含量和氦元素含量总是约3比1。恒星里的氢长久不衰，没有源源不断的补充是不可思议的。所有恒星上主要的核反应都是氢聚合成氦，所谓的氦聚变为碳、碳聚变为氧和镁、氧聚变为氖和硫、……，最后全部变成铁的核反应统统都不存在。因为至今还没有发现一颗恒星含有大量的碳、氧、镁、氖、硫、和铁的。氢在不断地生成着，氢永远也耗之不尽，用之不竭，同时恒星崩溃形成超新星爆发后会分裂成小的星体，这些小的星体又会不断吸收暗物质逐渐增大形成为一颗新的恒星。因而恒星的整体永远不会熄灭。也就是说宇宙永远也不会热寂。

2）我们认为，银河系、太阳、木星和土星俘获的空间暗物质聚合成氦后，热核反应开始变成可逆的，即氦可以裂变为氢，这是一个吸热反应。二者达到动态平衡后氢和氦的质量之比约为3比1。因为不断地有氢生成，也就是反应物的浓度在增加，总的来看，反应会沿着正向进行，新生成的氢中只有约25%聚合成氦。这就是占太阳质量约75%的氢为什么不一下子反应完，而是缓慢地进行的机理。不管太阳燃烧了多少亿年，其中氢和氦的丰度基本上保持不变。其它的星系、恒星或质量达到一定大小的星体，如土星和木星也是这样。

我们只要把氢或氦在隔绝其它元素的情况下，放入类似于星体的高温高压环境中，等到反应完成后，测出氢和氦的比例，这一过程就可证实。一旦人们普遍地实现了把氢转变为氦的热核反应，就无异于得到了取之不尽、用之不竭的能源。因此，这一猜想是可以用试验证明的。

4. 宇宙中散逸的热是怎样重新集中起来的

天体中不断有氢生成并不是无中生有。它是由暗物质生成的。暗物质在恒星中受到足够的阻碍速度变慢到一定的程度以后会相互凝聚成最简单的原子氢，原子氢象原子氧一样，其化学性质极其活泼，相互聚合成氦而放出巨大的核能。（我认为并不需要质子--质子反应和碳--氮--氧循环那么复杂）。因此，暗物质在质量足够大的星体中会转变为"明物质"--氢。这也从另一角度说明，暗物质至少是比电子更小和更深层次的粒子。暗物质并不遥远，它就在我们身边。

请注意，暗物质相互凝聚成最简单的原子氢和原子氢相互聚合成氦的过程是从无序到有序的过程，也是一个放热的过程。在这一过程中，是暗物质和原子氢所含有的自由能变成热能，从而这一热能是负的（把消耗的热能看成是正的，产生的热能就是负的，消耗了一个负的热能，就是产生了热能），也就是说在这一过程中产生了大量的负熵S=－Q/T。这些负熵与宇宙中极其巨大的熵增加过程相抗衡便足足有余了。

同时，这一过程是自发进行的，它不会对环境产生任何影响，不会使环境产生更大的熵增。唯一有影响的是暗物质减少了。有人会问，当暗物质减少到0，这一过程不是终结了吗？

当然不会发生这种情形，因为我们只说了一半，还有熵增过程没有说。熵增的过程是由有序变无序的过程，恒星中产生出来的热，最终会使氢等明物质重新还原成暗物质而完成一个循环。

不难理解宇宙中散逸的热变成暗物质的自由能，这些自由能又在恒星中重新集中起来变成热，这一过程的不断重复，就是热的无限循环的动态平衡。

宇宙为什么不会热寂？

由此可见，认为整个宇宙都发生着熵增加，最后整个宇宙将会达到热平衡，熵值达到最大，温度差消失的观点显然是错误的。因为整个宇宙都发生着熵增加是不符合事实的，恒星中的暗物质变成明物质的过程就是熵减的，从而宇宙将永远不会达到热平衡，熵值不会达到最大，温度差永远不会消失，宇宙不会热寂。

其实，热寂说是热的静态平衡，而宇宙实际上是热的动态平衡。热能主要产生于恒星，在那里暗物质变成明物质，氢聚变为氦，自由能变成热能，产生负熵；这些热能在宇宙间产生正熵，热能还原为自由能，氦裂变为氢，明物质又逐渐变成暗物质。在这里物质守恒,能量守恒,正熵和负熵也相互平衡。

总而言之，热寂说静止地，孤立地，片面地看问题，是形而上学的典型案例。全面来看，热能不断地产生，又不断地消耗，宇宙永远不会热寂。

只要你抬头仰望满天永不熄灭的繁星，你相信热寂说吗？

对于“热寂说” 的争论和讨论

【标题注释】谨以此文深切纪念王竹溪先生(1911-1983)诞辰90周年。

【作者简介】周雁翎(1964-)男，北京大学科学与社会研究中心博士研究生。北京大学科学与社会研究中心，北京　100871

【内容提要】一百多年来，"热寂说"曾引起广泛而持久的争论，甚至许多人误以为它早已有了结论。但无论从科学上看还是从哲学上看，以往的批判讨论均未能切中要害，缺乏说服力。大爆炸宇宙模型"炸开"了这一疑难，对它的讨论有了一个根本性的转向。本文通过对"热寂说"产生的历史过程进行考察，阐述了"热寂说"提出后在科学上和哲学上所引发的主要争论及其意义，并指出，大爆炸宇宙论虽然宣告了经典热力学"热寂说"的终结，但并不能避免宇宙未来在另一种意义上的"热寂"。"热寂"危机仍然存在，"热寂说"并未真正终结。

【摘要题】自然科学中的哲学问题

【关键词】热寂说/势力学第二定律/宇宙/熵/大爆炸理论

　　

“热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论，这一推论是否正确，引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。由于涉及到宇宙未来、人类命运等重大问题，因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界，成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。

一、“热寂说”是谁提出来的？

毫无疑问，“热寂说”是热力学第二定律的提出者提出的。热力学第二定律的提出者有两人，一位是英国的开尔文勋爵(Lord Kelvin)（即威廉·汤姆逊，W.Thomson），另一位是德国的克劳修斯(R.Clausius)。那么，谁是“热寂说”的提出者呢？国内学术界大多数人都认为，“热寂说”的提出者是克劳修斯。持此说的人一般都以恩格斯《自然辩证法》中反复提到的“克劳修斯的第二原理”的说法作为根据。另外一条根据则是，“熵”的概念是由克劳修斯提出来的，而“热寂说”是反映宇宙中熵不断增大的一种极限状态，所以“热寂说”是由克劳修斯提出的。

事实上，如果仔细考察一下有关“热寂说”的历史文献，我们就会发现以上说法有误，至少是不准确的。

1852年4月19日，开尔文在《爱丁堡皇家学会议事录》上发表的《论自然界中机械能散逸的普遍趋势》一文指出：“在现今，在物质世界中进行着使机械能散失的普遍趋势……在将要到来的一个有限时期内，除非采取或将采取某些目前世界上已知的并正在遵循的规律所不能接受的措施，否则地球必将开始不适合人类像目前这样居住下去”。在这篇论文中，开尔文首次指出，从卡诺定理可以得出一个明显的结果，即当热从热的物体传到比较冷的物体时，就存在着机械能不可能完全恢复的耗散现象。在自然界中普遍存在的这种不可逆转的机械能的耗散趋向，必然造成宇宙中热量的不断增加。其直接后果是，地球必将“不适合人类像目前这样居住下去”。显然，开尔文在这里对宇宙热寂的思想作了充分的暗示。十年后，即1862年，开尔文发表《关于太阳热的可能寿命的历史考察》一文，该文曾被收入1902年出版的《科普讲演与致辞》一书。引人注目的是，在这篇文章中间，开尔文在“运动停止和整个物质宇宙的势能竭尽”这句话旁边加了一条附注：“见1852年4月19日爱丁堡皇家学会会议录”上他发表的“《论自然界中机械能散逸的普遍趋势》一文”。这是开尔文提出“热寂说”的一条重要证据（当然，这一证据并不能排除开尔文与克劳修斯争夺提出“热寂说”优先权的可能性）。另一条重要证据则是赫尔姆霍兹(H.Helmholtz)在1854年发表的《论自然力的相互关系》一文。在该文中，赫尔姆霍兹指出，"我们必须钦佩汤姆逊的聪明才智，他在一篇长期为人熟知的文章中，唯一地说热、物体的体积和压力能够识别出威胁宇宙的后果，虽然那肯定会发生在无限时间之后，会永远死亡"。虽然目前还不能最终肯定赫尔姆霍兹所提到的原文即是《论自然界中机械能散逸的普遍趋势》，但起码据此可以初步判断开尔文在1854年之前就已经提出了宇宙“热寂”问题。

阎康年根据自己对开尔文原作的考证认为，尽管在开尔文看来自然界中机械能耗散不可逆转的普遍趋势必然会造成宇宙中热量的不断增加，但是，宇宙中热量增加后是否会引起热平衡乃至“热寂”，开尔文却没有得出明确的推论。

从以上分析可以看出，开尔文即使在1852年没有明确提出“热寂说”，至少也是提出了“热寂”思想的。

但是，开尔文传记的作者舍林(H.Sharlin)则认为，开尔文提出“热寂说”的时间应从1862年算起，因为他是在《关于太阳热的可能寿命的历史考察》这篇论文中才提出了“一个不可避免的宇宙静止和死亡状态”。[5]开尔文原文如下：“热力学第二个伟大定律孕含着自然的某种不可逆作用原理，这个原理表明虽然机械能不可灭，却会有一种普遍的耗散趋向，这种耗散在物质的宇宙中会造成热量逐渐增加和扩散，以及势的枯竭。如果宇宙有限并服从现有的定律，那么结果将不可避免地出现宇宙静止和死亡状态。但是，对宇宙中的物质广延设想一个界限是不可能的……”在这里，开尔文十分明确地提出了宇宙“热寂说”。但必须注意的是，从这段话可以清楚地看出，开尔文提出“热寂说”时是十分谨慎的，他做了一个基本假设--宇宙是有限的，在这个有限的系统里，热力学第二定律是正确的，宇宙才会不可避免地出现热寂状态。但是他又认为，把物质广延的宇宙看成是一个有限的体系是不可能的。因此，在开尔文的心中，他实际上并不能肯定热力学第二定律是否可以推广到他并不真正了解的整个宇宙，并由此得出宇宙“热寂说”的推论。

从文献上看，第二个提出“热寂说”的人才是克劳修斯。他于1865年4月24日在苏黎世自然科学家联合会上作了一篇题为《关于热动力理论主要方程各种应用的方便形式》的演讲，该文同年发表于德国《物理和化学年鉴》。克劳修斯在这篇文章中第一次引进了“熵”的概念，证明了熵在绝热过程中的增加，并将热力学定律表述为“宇宙的能量保持不变，宇宙的熵趋于极大值”这样两个宇宙的基本定律。他指出，当宇宙中的一切状态改变都向着一个方向时，全宇宙必然要不断地趋近于一个极限状态。实际上，这里所说的“极限”状态就是指“宇宙热寂状态”。

克劳修斯正式提出“热寂说”则是在1867年9月23日。当时，他在法兰克福举行的第41次德国自然科学家和医生的集会上作了一篇题为“关于热力学第二定律”的演说。在这篇轰动一时的著名演说中，克劳修斯明确指出：

“热总是从高温物体传到低温物体使得存在的温度差趋于消失，将逐渐地呈现越来越均匀的分布，而且在以太中的辐射热和物体所含的热之间也将出现一定的平衡。最后，物体分子的安排将接近于一定的状态，其中在相应的温度下总的离散度有最可能大的值。

我寻求把这整个过程用一个简单的定律表达出来，它将能确定地标志宇宙逐渐趋向的状态。我造了一个量，它与转化的关系跟能量与热和活的关系一样，即是，它等于所有的转化之和，这些转化是在使一个物体或是一群物体到达当前状态的过程中必然发生的。我叫这个量为熵。在一切正的转化大于负的转化的情形中，出现有熵增加。因此必然得出结论，在一切自然现象中熵的总值永远只能增加而不能减少，于是对到处不断进行的变化过程可以用下面的定律简短地表达：宇宙的熵趋向于极大。

宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，进一步变化的能力就越小；如果最后完全达到了这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”

实际上，克劳修斯在追述自己的思想时曾指出，他早在19世纪50年代初就已经有“能量退降”、“宇宙热寂”的思想了，只是他考虑到这个结论与当时很流行的关于热的观点有很大偏离而没有拿出来。

从以上可以看出，“热寂说”的思想产生于19世纪50年代初，几乎是伴随热力学第二定律的产生而产生的，开尔文和克劳修斯都进行过相关思考。然而最先提出"热寂说"的应该是开尔文而非克劳修斯。这一点，其实克劳修斯本人也是这么看的，他在1865年作的《关于热动力理论主要方程各种应用的方便形式》的演讲中就曾明确指出，“这个定律在宇宙中的应用，已得出一个结论，那是W.汤姆逊首先得出的，因此我才发表我所说的论文”。

值得注意的是，开尔文和克劳修斯提出“热寂说”时是有所不同的，前者明确认为把热力学第二定律推广到宇宙是有条件限制的，也就是假设宇宙是一个“有限”的体系；后者并没有做这样一种限定，而是毫无条件地推广到了整个宇宙。在对“热寂说”的提出者进行客观评价时，这种区别是要特别认真对待的。不过，阎康年认为，克劳修斯把熵增原理推广到整个宇宙是出于数学上的考虑--他曾在1865年的《关于热动力理论主要方程各种应用的方便形式》论文中提到过这一点，只不过是在1867年的那篇著名演讲中“有意或无意地忽视或回避了在两年前提出的前提条件”。由于这一问题超出了本文讨论的范围，在此不做赘述。

实际上，由于当时科学发展水平的限制，“热寂说”问题既无法用新的理论做出合理的解释，也无法用观测和验证做出做后判决，无论开尔文还是克劳修斯，也无论他们是否加上限定条件，都不能从科学上最终解决这个问题，这无疑就为后来的科学界与哲学界留下了一场旷日持久的争论。

二、科学解还是哲学解？

“热寂说”一经提出，即在科学界引起了轩然大波。

首先对“热寂说”提出诘难的是麦克斯韦(J.Maxwell)。1871年，他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中，设计了一个假想的存在物--“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。这个设计方案如下：“我们知道，在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度决不均匀，然而任意选取的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在让我们假定把这样一个容器分为两部分，A和B，在分界上有一个小孔，在设想一个能见到单个分子的存在物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑向B，而慢分子从B跑向A。这样，它就在不消耗功的情况下，B的温度提高，A的温度降低，而与热力学第二定律发生了矛盾"。麦克斯韦认为，只有当我们能够处理的只是大块的物体而无法看出或处理借以构成物体分离的分子时，热力学第二定律才是正确的，并由此提出应当对热力学第二定律的应用范围加以限制。

尽管麦克斯韦既没有实现也没有提出任何实际的实验来检验他的假说，但这个“热力学第二定律的破坏者”却困扰了科学界一百多年，成为科学家诘难热力学第二定律并进而反对“热寂说”的著名假想实验。与麦克斯韦佯谬有关的还有后来洛歇密(Loschmid)提出的“可逆佯谬”和赛密罗(E.Zermelo)提出的“再出现佯谬”等都对单向不可逆性和热力学第二定律提出了挑战，实际上也是对“热寂说”提出了挑战。

在“热寂说”提出后的数十年中，对其构成最大挑战的科学假说是波尔兹曼(L.Boltzmann)的“涨落说”。波尔兹曼在对气体分子运动的研究中，最先对熵增加进行了统计解释。按照这种解释，热平衡态附近总存在着偶然的“涨落”现象，这种涨落现象并不遵从热力学第二定律。由此，波尔兹曼将气体分子运动论的观点推广到宇宙中，认为整个宇宙可以看成类似在气体状态的分子集团，围绕着整个宇宙的平衡状态则存在着巨大的“涨落”。即使在与整个广延的宇宙相比极其渺小的恒星系和银河系中，在短时期内也存在着这种相对的热平衡附近的“涨落”。按照这种假说，宇宙就必然会由平衡态返回到不平衡态。在这个区域，熵不但没有增加，而且是在减少。因此，宇宙也就不可能产生“热寂”。

波尔兹曼的“涨落说”曾广泛流传，许多人都把它作为反对“热寂说”的新发现。但天文学观测表明，至今没有任何有说服力的证据证明现在的宇宙是处在热平衡态并存在着上下“涨落”。由于缺乏事实依据，“涨落说”并没有真正从科学上解决宇宙“热寂”的问题。而且从逻辑上看，波尔兹曼的“涨落说”实际上是把宇宙“热寂”已经放在他的前提中了。因为他首先承认“涨落”是在平衡态附近发生的。而对于任何“涨落”，不论它有多大，最后必然会消失，重新回到平衡状态。尽管后来一些物理学家，如莱辛巴赫(H.Reihenbach)等发展了玻尔兹曼的思想，把时间增加的方向作为熵增加的方向，并进一步指出了宇宙中存在着熵的涨落现象，但由于同样缺乏观测证据支持而最终放弃。

20世纪60年代以来，以普里高津(I.Prigogine)为首的布鲁塞尔学派在研究非平衡态热力学和统计物理学的过程中，找到了开放系统由无序状态转变为有序状态的途径，提出了耗散结构理论。这一理论曾被一些人用来反对“热寂说”。

所谓“耗散结构”是指一种远离平衡态的有序结构。根据热力学第二定律，系统处在热平衡态就是有最大的混乱度，此时熵值达到最高，系统即出现所谓“热寂”。而有序结构的出现即意味着熵的降低，系统便可“起死回生”。这显然与热力学第二定律相悖。如生命的发生和物种的进化等，都是从低级到高级、从无序到有序的变化，是一个熵不断降低的过程。耗散结构理论解决了这个问题。它认为关键在于系统必须是开放的，而且系统内有序结构的产生要靠外界不断供给能量和物质以及负熵流。

耗散结构理论提出不久，一些人即将其推广到整个宇宙，认为宇宙是一个无限发展的开放系统，它远离平衡态。由于它不断吸取负熵流，因而在宇宙的一些区域内，熵不但没有增加反而有减少的趋势。因此宇宙不可能变成完全无序的“热寂”状态。《纽约时报》曾于1980年发表特稿，宣称普里高津的耗散结构理论帮助人类解决了一项科学上最扰人的似是而非的问题。

然而，尽管这种理论具有很广的应用范围，但对于整个宇宙来说，由于缺乏明确的物理图像和实验基础而不被天体物理学界所认可。

一百多年来，许多杰出的科学家都为解决宇宙“热寂”这一世界性疑案呕心沥血，提出了各种宇宙模型和假说，其中有一些是没有“热寂”的模型，如托尔曼(P.Tolman)的相对论热力学中就已经没有了“热寂”，但由于这些假说或模型存在着理论上不可克服的困难和缺乏宇宙观测事实的支持，最终都没有对“热寂说”构成威胁。这种情况一直延续到20世纪六、七十年代以后曾经沉寂的大爆炸宇宙论再度兴起。而这正是本文在最后要详细讨论的问题。

由于“热寂说”涉及到宇宙未来和人类命运等重大问题，因而也引起了哲学尤其是马克思主义哲学的深刻关注。一百多年来，恩格斯对“热寂说”的批判产生了深远的影响。在解释恩格斯反对热力学第二定律和“热寂说”的原因时，法国生物学家、哲学家莫诺(J.Monod)曾经指出，“恩格斯因为看到热力学第二定律将危及人类以及人类的思维活动是宇宙演化的必然产物这一带有必然性的规律，所以他感到非反对它和否定它不可。在《自然辩证法》的导言中，他就是这么说的；而且他还直接从这个命题转到了热情洋溢的宇宙论预言，预示着如果不是现在的人类，无论如何也有思维能力的精神将永恒地反复地再现”。

实际上，“热寂说”刚刚提出，恩格斯就在1869年3月21日致马克思的信中指出，“这种理论认为，世界愈来愈冷却，宇宙中的温度愈来愈平均化，因此，最后将出现一个一切生命都不能生存的时刻，整个世界将由一个围着一个转的冰冻的球体所组成。我现在预料神父们将抓住这种理论，把它当作唯物主义的最新成就”，用来作为“必须设想有上帝存在”的论证，而这种论证实质上是与辩证唯物论背道而驰的。1873年，恩格斯开始写作《自然辩证法》，在为该书准备资料的过程中，写下了许多批判“热寂说”的札记。由于一些原因，这些言论和札记当时并没有公开发表。50多年后，才随着《自然辩证法》的出版而为人所知。

恩格斯指出，“热寂说”由于断言宇宙中的一切运动都将最后转化为热，因而违反了辩证唯物主义的基本原理--运动不灭原理（它所对应的科学定律是能量守恒和转化定律，即热力学第一定律），“克劳修斯的第二原理等等，无论以什么形式提出来，都不外乎是说：能消失了，如果不是在量上，那也是在质上消失了。熵不可能用自然的方法消灭，但可以创造出来。宇宙钟必须上紧发条，然后才走动起来，一直达到平衡状态，而要使它从平衡状态再走动起来，那只有奇迹才行。上紧发条时所耗费的能消失了，至少是在质上消失了，而且只有靠外来的推动才能恢复”。在这个分析的基础上，恩格斯联系科学史指出，“作为冷却的起点的最初的炽热状态自然就绝对无法解释，甚至无法理解，因此，就必须设想有上帝存在了。牛顿的第一推动就变成了第一炽热”。恩格斯认为，这是历史的又一次重演，克劳修斯就这样像牛顿一样从形而上学滑向了唯心主义。

恩格斯以唯物辩证法的观点进一步指出，运动不灭的原理应该从量的不灭和质的不灭两方面来理解，只有这样运动才永远不会丧失其转变为它自身所能达到的各种不同运动形式的能力。因此，“现代自然科学必须从哲学那里采纳运动不灭的原理；它没有这个原理就不能继续存在”。

恩格斯的这些论断实际上是辩证唯物主义思想在自然科学领域的直接应用，然而却引来了不少反对。最著名的莫过于莫诺的责难。他将唯物辩证法斥之为“万物有灵论的设想”的“翻版”，并说，“这种解释同科学不仅是风马牛不相及，而且是跟本不相容的。尽管如此，那些用了连篇废话大讲其‘空头理论’的辩证唯物主义者，还是经常企图用他们的想法来指导实验科学的发展。恩格斯本人虽然很熟悉他那个时代的科学，却以辩证法的名义拒绝了当时的两大发现：热力学第二定律和自然选择学说（尽管他很钦佩达尔文）”。

然而，恩格斯事实上看到宇宙“热寂说”疑难的极其复杂性，认为仅仅依靠运动的数量是无限的（即不可穷尽的）这样一个一般的哲学命题，对解决这个问题是没有什么帮助的。因而，“只有指出了辐射到宇宙空间的热怎样变得可以重新利用，才能最终解决这个问题”，并由此提出了如下的假说，“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。因此，阻碍已死的太阳重新转化为炽热的星云的主要困难便消失承。”

显然，恩格斯在这里明确指出了应该用哲学上的运动不灭原理和未来自然科学的发展来解决散失到太空中的热变成了什么这个问题，强调了哲学与科学的结合，既肯定了哲学的指导作用，又否定了哲学的代替作用。

也有观点认为，用运动不灭原理来拯救宇宙“热寂”在哲学上是“错误的”。错误的关键是混淆了运动和发展两个概念。运动有两种形式，一种是发展的运动，另一种是非发展的运动。发展的运动是非循环的和不可逆的，如生物的进化；非发展的运动则是循环的和可逆的，如钟摆的震荡。运动不灭原理只能保证宇宙将不停地运动，并不能保证这种运动是发展的。而“热寂”则是一种有运动而无发展的状态，它与运动不灭原理并不矛盾。所以，用运动不灭原理并不能推翻“热寂说”。“在热力学中，运动和发展二者的性质分别由热力学第一定律及第二定律所规定。热力学第一定律就是运动不灭原理。热力学第二定律则是关于发展方向的规律。利用第一定律并不能排除第二定律的热死结论。”

那么，是否就此认为应对恩格斯关于“热寂说”的论述进行重新评价呢？这一问题超出了本文讨论的范围，笔者将另外著文进行阐述。

继恩格斯后，彭加勒（J.Poincaré）从科学方法论的角度对“热寂说”提出了尖锐的批评。1890年，彭加勒在《力学原理》一书中指出，任何力学模型只能局限在有限的系统内运动。在这个封闭的系统中，运动从有序开始，经过无序状态，最后必然再回到有序状态即初始状态。因此，与系统组态相联系的既定熵值，为了能回到初始状态就必然要减少。彭加勒认为，“热寂说”的出现是由于它的提出者们采用了当时流行的力学模型法造成的。因此，应在方法论上进行变革，要么承认热力学过程能回到初始状态，要么将热力学模型根本抛弃。

在批评“热寂说”的各种观点中，有两种观点影响最大，也最普遍。一种观点认为，热力学第二定律是从有限世界得来的，因而不能应用到无限的宇宙上。如丹皮尔(W.Dampier)在其《科学史及其与哲学和宗教的关系》一书中就认为，“把热力学原理应用于宇宙理论，其有效性是可疑的。把从这样有限的例证中推出来的结果，应用到宇宙上去，是没有道理的，即令过去利用这些结果去预言有限的独立的或等温体系的情况很有成效”。另一种观点则直接否认宇宙是一个“孤立系”。实际上，这两种观点本身是相互关联的，都预先设定了宇宙是一个“无限的”“非孤立系”的前提。并且一再企图证明，宇宙是漫无边际的物质，各个部分都是相互联系的，宇宙之外还有宇宙，因而不存在孤立部分。何祚庥认为，这些论证都不能证明人们永远不能把无限宇宙当作一个统一整体来把握。况且，今天的科学还不能证明宇宙是否无限。因此，这种说法并不能驳倒“热寂说”。另一方面，认为从孤立系中得出的第二定律不能推广到无限宇宙去的论证，从逻辑上看也是不严密的。小范围内的自然规律外推到大范围在逻辑上并不必然错误，科学史上就有大量这样外推的先例，如绝对零度概念、热力学第一定律以及模型方法等。既然能把热力学第一定律作为证明辩证唯物主义关于世界普遍联系的根本规律推广到整个宇宙，那么又为什么不能将第二定律作同样的推广呢？事实上，热力学第一定律也没有在无限的条件下做过实验。必须承认，任何实践活动都是在有限的范围内取得的，把由此得出的结论外推不但是经常的，而且是必需的，甚至在处理复杂对象时是最有效的方法。因此，这种说法从逻辑上看也是不能驳倒“热寂说”的。也有人认为，外推第二定律之所以受到如此之多的责难，首先是因为人们认为它否定了马克思主义关于发展的辩证法，其次是因为它本身“不合希望”性，是一条带有悲观色彩的定律，人们主观上希望它最好受到某种“制约”。这种说法有点类似于莫诺的观点。

此外，中国和苏联也对“热寂说”进行过大规模的批判。由于这些争论基本上都是意识形态之争，而且这正是笔者另外一篇文章要讨论的问题，故本文不做进一步论述。

“热寂说”提出一百多年来，无论是在科学上还是在哲学上，各种争论此起彼伏，无休无止。有许多赞同者，也有许多反对者。他们都在孜孜不倦地寻求着这一疑难的最后答案。然而，最终都令无数英雄竞折腰。难怪大哲学家罗素(B.Russel)发出这样悲观的感叹，“一切时代的结晶，一切信仰，一切灵感，一切人类天才的光华，都注定要随太阳系的崩溃而毁灭。人类全部成就的神殿将不可避免地会被埋葬在崩溃宇宙的废墟之中--所有这一切，几乎如此之肯定，任何否定它们的哲学都毫无成功的希望。唯有相信这些事实真相，唯有在绝望面前不屈不挠，才能够安全地筑起灵魂的未来寄托”。即使是像控制论之父维纳(N.Wiener)这样的科学巨匠，最终也“控制”不住自己沮丧的感情，几乎是在绝望中悲叹，“我们迟早会死去，很有可能，当世界走向统一的庞大的热平衡状态，那里不再发生任何真正新的东西时，我们周围的宇宙将由于热寂而死去，什么也没有留下……”

那么，答案在哪里呢？科学解和哲学解，谁更真实、谁更符合人类的愿望呢？事实上，一个多世纪以来，各种哲学派别无休无止的争论亦无助于这一问题的最终解决。然而，科学仍然坚持走自己的道路。尽管人们承认哲学能给人以启发和提供思考的方向，但宇宙的未来只能依赖于科学自身的发展，任何超科学的回答都会把问题引向认识论的误区和歧途。俄国物理学家诺维科夫(I.Novikov)说了一句意味深长的话，“今天这样的争论已成为过去，是科学来确定世界真正结构的时候了”。

三、“热寂说”“终结”了吗？

长期以来，对“热寂说”疑难的回答，无论从科学上看还是从哲学上看似乎都未能切中要害，缺乏说服力，因而一再爆发争论。然而20世纪六、七十年代以后，自从“大爆炸”宇宙模型逐渐得到天体物理学界公认以来，对“热寂说”疑难的讨论发生了根本性的转向，这一时期成了“热寂说”争论史上一个划时代的转折点。

在大量涌现的介绍大爆炸理论的文献中，特别令人瞩目的是，1994年10月，《科学美国人》杂志以“宇宙中的生命”为主题隆重推出了一期专刊，其中登载了四位著名科学家的综述，全面介绍了当代天体物理学界关于宇宙起源与演化问题的研究成果--大爆炸宇宙模型。该理论认为，宇宙大约是在100～200亿年以前，从高温高密的物质与能量的“大爆炸”而形成。随着宇宙的不断膨胀，其中的温度不断降低，物质密度也不断减小，逐渐衍生成众多的星系、星体、行星等，直至出现生命。宇宙大爆炸理论是20世纪科学研究的重大成就，是基于几十年的创新实验与理论研究的结果。因而获得了科学界的公认，并成为现代宇宙学的标准模型。

大爆炸宇宙理论得到了三个强有力的直接证据的支持，即哈勃红移、氦元素丰度和3K微波背景辐射。

1929年，美国天文学家哈勃(E.Hubble)在研究了前人测量的星系距离资料后发现，远星系光谱线的颜色要比近星系的稍红一些。哈勃仔细测量了这种红化，发现它呈系统性变化。而且，星系愈远，光谱线红移愈大。在进一步测定了许多星系光谱中特征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应，并指出红移现象的产生是由于星系在退行而使光波变长的结果。由此，他总结出了著名的哈勃定律：星系退行的速度与距离成正比。从哈勃定律人们会很自然地得出宇宙在膨胀的推论。这个重大发现奠定了现代宇宙学--大爆炸理论的的基础。

支持大爆炸宇宙论的第二个证据是宇宙中氦元素丰度的预言和测定。大爆炸发生一秒钟以后，宇宙是由极高温的基本粒子组成的“羹汤”，这时整个宇宙处于均匀的热平衡态。随着宇宙的膨胀和降温，其中的一些粒子逐次与其余部分粒子脱耦。此时产生的核反应使中子和质子聚合在一起，形成氦核，余下的核子（没有聚合的质子）自然就形成了氢核。精确的理论计算表明，当时应有23.6%的物质质量聚合成了氦核。英国皇家格林尼治天文台对众多星系中原始星云的发射光谱进行观测的结果表明，宇宙中氦的实际丰度为23.5%。这一结果与大爆炸的理论预言极为相符。

支持大爆炸理论的第三个证据是3K微波背景辐射的发现。大爆炸理论预言，现在的宇宙中应该存在着一种来自宇宙早期的均匀的、各向同性的微波背景辐射，它是宇宙早期的遗迹，频谱应该符合普朗克黑体辐射公式，温度约为3K。这一预言在1965年被射电文学家彭齐亚斯(A.Penzias)和威尔逊(R.Wilson)在宇宙观测中证实，此后亦为众多科学家进一步证实。这一结果表明，宇宙早期曾一度处于平衡态，处处都有相同的温度，而且物质分布也是相当均匀的。大爆炸之后，宇宙才逐渐偏离热平衡态。

早在大爆炸宇宙理论为科学界公认之前，一些学者即正确地指明了解决宇宙"热寂"疑难的方向，关键在于应从宇宙中是否存在热平衡态这一根本性问题着手。现在，大爆炸理论直接证明了宇宙在膨胀，而宇宙在膨胀则是热力学和宇宙学相容的关键，那么在一个膨胀的宇宙中是否存在着热平衡态呢？

假定有两类物质，一类是辐射，另一类是粒子，辐射温度Tr与粒子温度Tm不一样。那么，按照经典热力学，经过一段时间以后，Tr与Tm必定相同。这是在静态空间中做出的结论。然而，假如上述空间是膨胀的，结论就完全不同了。由于在膨胀过程中，不同物质的温度降低的程度不一样，辐射温度降低较慢，粒子温度降低较快，就会造成Tr大于Tm而产生温差。这与经典热力学的结论正好相反。虽然这个温差会由于辐射与粒子之间的碰撞而消失，以至达到热平衡，但是由于达到平衡所需的时间比宇宙膨胀所需的时间要长，因而辐射和粒子之间就永远不可能达到热平衡。此时系统的熵尽管不断增加（这与热力学第二定律相符），但它离平衡态却越来越远。而宇宙中发生的正是这种变化。

另一方面，宇宙膨胀的原因是由于引力的作用。有引力作用的热力学与无引力作用的热力学得出的结论完全不同。在不考虑引力的经典热力学中，加热则体系升温，冷却则体系降温，热容量是正值。而在一个自引力体系中情况刚好相反，加热则体系变冷，放热则体系升温，热容量是负值。而负热容物体的存在对于热力学来说具有根本性的影响。在一个体系中，如果同时存在着正热容物体和负热容物体，那么这个体系就具有极大的不稳定性。稍有扰动，平衡就会彻底遭到破坏而产生温差。只要有自引力体系存在，原则上就不存在稳定的热平衡，而宇宙间的天体或天体系统大多数正是这种自引力系统。尽管自引力系统中熵是增加的，但由于没有热平衡，因而熵的增加是无止境的，永远都没有极大值。

因此，“热平衡的存在对整个热力学是至关重要的，热平衡是热力学的出发点。而对于引力起决定作用的体系，实际上不存在热力学意义上的热平衡态，而是不稳定的状态”。这种现象在静态宇宙模型中是不可能发生的，也是开尔文和克劳修斯等人没有料想到的。

于是，人类终于从百年梦魇中醒来，爆发出热情的欢呼，“宇宙不但不会死，反而会从早期的热寂状态（热平衡态）下生机勃勃地复苏”，“热寂说的一页，已被翻过去了”！

然而，人类的欢呼似乎来得早了一点。尽管热力学意义上的宇宙“热寂”状态永远不会到来，但宇宙的命运却不会因此而变得更加令人乐观。宇宙的结局完全取决于它的初始条件，宇宙的创生与终结始终紧密相连。大爆炸理论发现了宇宙起源的真相，同时也预言了它遥远的未来。

在大爆炸理论中有一个极其重要的参量Ω=ρ[,0]/ρ[,c]，其中ρ[,c]是与哈勃常数密切相关的一种宇宙临界密度，ρ[,0]是现在的宇宙密度。若ρ[,0]＜ρ[,c]，即Ω＜1，表明宇宙是膨胀的，并且一直膨胀下去；若ρ[,0]＞ρ[,c]，即Ω＞1，表示宇宙起初膨胀，到达一定时刻后，就将转化为收缩。若ρ[,0]=ρ[,c]，则宇宙处于两者之间的临界状态。由于大多数人承认的观测结果是Ω＜1，因此宇宙一直永远膨胀下去成为最可能的一种状态。假使如此，未来所有恒星上的热核反应都将逐渐停止，留下的将是各种各样的宇宙“熔渣”--黑矮星、中子星和黑洞，而宇宙的背景辐射温度将不断下降，以至于无限地趋近于绝对零度，最终达到另一种意义上的“冷寂”。宇宙另一种可能的状态是，当膨胀达到最高点，背景辐射的温度降到最低，此时宇宙开始收缩，温度又重新上升。当宇宙不断收缩至愈来愈接近它的最后阶段时，环境条件同大爆炸后不久起支配作用的那些条件越来越相似，宇宙又重新回到处于“热寂”状态的基本粒子“羹汤”状态。这实际上是一个反演过程。在宇宙暴缩的最后时刻，引力成为占绝对优势的作用，所有的物质都将因挤压而不复存在，包括时空本身在内的一切有形的东西统统将被消灭，只剩下一个时空奇点。无论宇宙最后出现哪一种状态，其结果对人类来说都将是灭顶之灾。

这就是大爆炸理论为人类预言的宇宙未来和世界末日。由于这一理论也不合人们的期望，因而当它提出之日起同样也遭到了来自各方面的反对，并认为它是一个“倒了头”的宇宙“热寂说”。然而，自然规律毕竟不以人的意志为转移，人类必须正确对待，最好的心态是，“我们决不能忽视物之有生亦必有死的事实，死亡或许正是为创生不得不付出的代价”。

当然，还存在着一些其他并非毫无科学根据的宇宙模型，也许会带给人类新的光明和希望。人类不应该气馁。“我们的后代也许还有数十亿年甚至数万亿年的时间来对付这场最后的大屠杀。在这段时间里，生命能够扩展到整个宇宙……并对它加以控制，因此他们可以调整自己的位置，支配一切可能的资源来对抗这场大危机”。

无论如何，人类决不甘心坐以待毙，而科学也将一如既往地走自己的路，总有一天会给人类一个明晰的答案。

宇宙到底是个什么样？

宇宙其实是像中世纪的喇叭一样的形状？这听起来有点象是超现实主义者的梦想，但是根据德国科学家弗兰克·斯坦的发现，宇宙的一端是伸展的并形成一个长漏斗，另一端则像是一个狭窄的管子。他的发现同时也可以说明宇宙是有限的。

2003年美国家航空和宇宙航行局威尔金森微波各向异性探测器发现了一些细节。这个探测器发现：在超过

60度以后就不会有特别明显的热或者冷的点了。

斯坦和他的同事声称有限的，喇叭形状的宇宙符合他们的观察。他们最新的宇宙模型有将近1032立方体光年。想到宇宙只有380000年的历史，它只是那个模型的一小部分，太小了而无法承受大的波动。

喇叭扩口端是有限的

根据这个模型，宇宙以一种很奇怪的方式弯曲着。一端无限的长，但却如此的狭窄使它成为一个有限的空间。另一端则像喇叭一样地张开，却不是无限的---如果你乘着太空船沿着扩口飞行，到某种时候你会发现你自己又回到了喇叭的另一端。

斯坦和他们同事们第一次发现这种想法符合威尔金森微波各向异性探测器的数据。在2003年，另外一批科学家也声称宇宙可能是有限的。

这批科学家的模型将宇宙形容成是一个英式足球式的形状。但是这种想法却在理论上说不通。如果宇宙真的是足球的形状，在微波空中它应该留下一条清晰滴的印迹，可是这些印迹似乎并不存在。可喇叭状理论却难以被推翻。

最小的点是小椭圆形

喇叭状理论还有另一个优势。在传统的宇宙论中宇宙是平坦的，那么在微波天空图上是最小的点应该是圆的。可是事实上它们不是。“如果你看着这些小的结构，你会发现它们看起来是椭圆形的。”斯坦说。而喇叭状宇宙学说正好可以解释这些。如果你看一下这个喇叭的任何一小部分，它都是像炸土豆片一样的鞍形的---在一个方向弯曲而在垂直的地方向上。这个“消极弯曲”的空间就像一个反常的透镜一样，歪曲了原始的圆点而使它们在我们眼里呈现成椭圆形。数学家可以建构无限个不同的弯曲空间，它们中的多数有一个或多个喇叭，而许多都是和数据相符合的。

喇叭状理论强迫科学家放弃“宇宙学原理学说”，这一理论认为宇宙的所有部分都是大致相同的。“如果一个人刚巧处在喇叭的窄端，那里看起来会是非常奇怪的二元。”斯坦的同事洪格尔说。很多观测仍模糊不清

喇叭的窄端是一个非常有趣的探测地点---但是我们可能离它太远了而无法用望远镜观测到。科学家的很多观测仍然是模糊的，然而，也可能会发现意外。在约一年后，威尔金森微波各向异性探测器和其他实验会探测大的点是否真的是缺失的，小的点是否真的是椭圆的。

如果他们果然如此，那就更证明我们的宇宙是喇叭形的。

宇宙形状像中世纪的喇叭？这可不是超现实主义的幻想，而是德国 Ulm 大学天文学家 Frank Steiner 根据观测最新资料的发现，宇宙的形状为一端扩展、另一端狭长的长漏斗状，此说也暗示宇宙是有限的。

2003 年 NASA威尔金森微波各向异性探测器(WMAP) 发现宇宙背景辐射中的冷、热区斑在超过 60 度以上的大尺度结构上便不明显了。而漏斗状宇宙模型正符合这样的观测结果。Steiner 估计目前宇宙的体积为 1032 立方光年，但当宇宙 38 万年时（背景辐射反映之年代），它的体积远小于此，无法容纳大的波动结构。

根据这个称为 Picard topology 的模型，宇宙一端无限长，但因非常细窄所以空间有限，另一端则像喇叭一样扩张，但却不是无限，如果乘宇宙飞船沿着扩口一直飞行，会发现又回到喇叭扩口的另一端。

漏斗状宇宙模型在 1990 年代因应 COBE 的探测结果而被提出，但 Steiner 的研究是第一个符合 2003 年 WMAP 观测资料的模型。2003 年时数学家 Jeffrey Weeks 也曾提出宇宙为足球状的有限模型，但是这种想法却在理论上说不通，如果宇宙真是足球状，在微波天空中应留下清晰滴迹象，但在观测上这种结构似乎并不存在。

漏斗状模型则难以被推翻，它的另一个优势为，在传统的宇宙模型中宇宙是平坦的，那么在微波天空图上是最小的点应该是圆的，但事实上却是椭圆形，而漏斗状模型正可解释这些椭圆结构，在天空每个方向都是鞍形的，原始呈圆形的结构投影在鞍形的空间上便呈现成不同的椭圆形。数学家可以建构出无限种不同的负曲率空间，其中大部分都有一个或多个漏斗状，而且许多都和观测资料相符，其中最简单的模型就是 Picard topology。

漏斗状模型将强使科学家放弃认为宇宙各部分均大致相同的宇宙学原理。如果处于漏斗的窄端，那里看起来会是非常奇怪的二元空间，那里会是一个非常有趣的地方，你可以直接看到自己的后脑杓，但我们离该处太远，无法用望远镜观测到那里的状况。

不过目前许多观测结果仍是模糊不确切的，这些也可能只是统计误差上的错觉。在未来一年中，WMAP 和其它观测将可检定是否真的没有大的背景辐射起伏区块存在，而小的区块又是否真为椭圆形。如果真是如此，那么漏斗状宇宙模型将获得更进一步的肯定。

宇宙是个大喇叭？

宇宙是“足球”？是“喇叭”？自从那个名叫WMAP的美国探测器升空以来，关于宇宙形状的各种奇特观点竞相提出。

美国数学家杰弗里·威克斯的最新宇宙模型令科学界震惊：一个大小有限、形状如同足球的镜子迷宫；宇宙之所以令人产生无边无界的“错觉”，是因为这个有限空间通过"返转"效应无重复映现自身。



根据美国国家航空航天局2001年发射升空的WMAP宇宙微波背景辐射探测器获得的资料，威克斯推断，宇宙其实是有限的，相对说来其实并不大，大约只有70亿光年宽度，形状 为五边形组成的12面体，有如足球。人们之所以感觉宇宙是无限的，是因为宇宙就像一个镜子迷宫，光线传过来又传过去，让人们发生错觉，误以为宇宙在无限伸展。《新科学家》杂志报道了威克斯的推断。

WMAP探测器用于探查宇宙大爆炸“大火”遗留下来的热量痕迹--弥漫于整个宇宙的微波背景辐射，此种“余热”温度很低，约在绝对零度以上3度。虽然宇宙微波背景辐射弥漫于整个宇宙，但并不是到处完全均匀，而是有一些波动，如同大海总在波浪起伏一样，形成一圈圈微波背景辐射“涟漪”。探测这些“涟漪”的大小和强度，可推定宇宙早期的情况，也可以推定现今宇宙有多大。

如果宇宙是无限的，那么就会有各种大小的宇宙微波背景辐射“涟漪”。而WMAP观察到了较小规模的微波背景辐射“涟漪”，这和无限宇宙理论推测的几乎一致，但是大尺度范围的“涟漪”却没能观察到。在大尺度上，微波背景辐射“涟漪”似乎被“抹平”了。这一点意味着：宇宙可能是有限的。其道理就像在澡盆中掀不起巨浪一样，在一个有限的宇宙中也不会有无边的“涟漪”。而威克斯的比喻是：“正像一口钟的震动不会比这口钟本身还大一样，宇宙中的任何波动也不会比宇宙本身还大。”

威克斯及其合作者认为，根据WMAP获得的观察资料看，宇宙不仅是有限的，而且相对较小，直径不过70亿光年，并具有一种奇特的性质，即能够把自身反射回去。尽管宇宙是有限的，但它没有具备任何性质的边界。如果一艘太空船像光一样笔直前行，最终它将回到出发点，就像环绕地球航行一样，没有任何一个点标志着你在哪里“重返”。

由于这种奇异效应，从一个星系发出的光将沿着两条不同的路径抵达地球，在地球上的观察者看来，同一个星系将出现在天空中的两个不同地方，而误认为是两个不同的星系，具有不同的年龄。这就如同一个镜子迷宫，其中每一样事物都会有许多镜像。但是，要确认两个在不同地方的星系影像其实是同一个星系却比登天还难，威克斯说：“这就像是要在数十亿拥挤的人群中认出从正面看是50岁的样子、从头顶俯视则是7岁模样的两个人影是同一个人一样。”

威克斯用12个完全相同的五边形组成的、像足球一样的12面球体来描述这样的宇宙。他认为，这是对WMAP观测资料的最好解释。用计算机模拟，这种模型能在不附加任何条件的情况下产生和WMAP所观测到的宇宙微波背景辐射“涟漪”一样的图样。威克斯说：“它和WMAP获得的资料惊人地契合。我都不敢相信，结果比我想像的还要好。”

威克斯认为，由于宇宙存在“返转”效应，我们观察到的宇宙其实是一种幻觉，这个12面体在无休无止地重复映现它自身，如果你从其中一个五边形中走“出去”，你将从其另一面重新回到同一个地方，并一再观察到同样的天空、同样的星系。

现在，德国乌尔姆大学的弗兰克·施泰纳领导的科研团队也根据WMAP收集的资料，提出一种新的宇宙模型：宇宙很可能像是中世纪长号一样的巨大喇叭，一端无限长而狭窄，渐渐过渡到另一端豁开口来。

这种令人匪夷所思的形状也属于有限宇宙模型。英国《新科学家》杂志4月14日最新一期报道了他们的这一宇宙新观点。

实际上，类似的喇叭形宇宙模型早在20世纪90年代就提出来了，当时是以这种概念来解释另一颗太空观察卫星COBE观察到的类似的奇异现象。施泰纳的团队则是第一次用这个概念解释WMAP获得的观察资料。

过去，足球形宇宙模型也是为了解释WMAP获得的观察资料，但这个模型碰到了麻烦。根据这个模型，在微波太空图中应有清晰的特别印记，即由冷热点图样相互映照所形成的一圈圈“涟漪”，但这样的“涟漪”似乎并不存在。

可惜相较之下，喇叭形宇宙模型更难判断是否成立，因为这样的宇宙也要能产生相互关联的“涟漪”。但是，其图样取决于我们身在“喇叭”的何处。

根据喇叭模型，宇宙空间弯曲成这样：一端无限地长，但又无限窄；另一端则豁开，但又不是无限豁开。如果你能驾驶宇宙飞船前往豁开的这一端，会发现到达某一点后你将沿喇叭形宇宙的另一边往回飞，就像一只蚂蚁爬过一张纸的最顶端，又从纸的另一边往回爬。

如果往喇叭形宇宙的窄端方向运动，只要深入足够远，那么事物将看来非常奇怪：只有两个很小的维度。在某一个极遥远点上，你甚至可以看到你的后脑勺！当然，这是一个非常值得探究的地方，但我们也许距离这个窄端太远，不可能用望远镜去验证。

出于偶然计算错误？

如果喇叭形宇宙模型真成立的话，那么人们就不得不放弃认为宇宙各部分基本一样"宇宙原理"，而承认宇宙各部分是大不一样的。

但是，支持此模型的关键观察事实目前尚含糊不清，而且可以有多种解释，甚至可能是数据统计分析过程中发生的偶然错误造成的。

在未来一两年，科学家将利用WMAP及其他实验设备确认宇宙微波背景辐射在大尺度空间是否真的没有冷热差异，以及小尺度的冷热点是否真是椭圆形（这是喇叭宇宙模型成立的关键）。如果得到确认，那就很可能意味着宇宙形状或许真的很奇特。当然，宇宙也有可能就是大大的、无甚奇特的、无边无际的均匀球形或“无形”。就科学探索过程和当代宇宙学状况来看，宇宙形状问题允许人们有各种奇特或平淡的猜想，一切都不是定论，毕竟连"宇宙大爆炸"也还是假说而已。

背景知识：宇宙微波背景辐射

宇宙微波背景辐射是“宇宙大爆炸”所遗留下的布满整个宇宙空间的热辐射，反映的是宇宙年龄在只有38万年时的状况，其值为接近绝对零度的3K。宇宙微波背景辐射总体是均匀的，到处都差不多，没有太大的起伏变化；但是细看又有一定的差异（波动），有的地方温度稍高，有的地方温度稍低。仔细分析宇宙微波背景辐射中一个个热点和冷点的差异所构成的图样就可以获得宇宙演化的大量信息，揭示宇宙奥秘。

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