从“热二”定律到宇宙学

■ 李墨林

瓦特在1782年发明了蒸汽机以后，为了计算发动机的最大功率，他认识到必须了解这台机器幕后的全部理论，这个理论就是热力学。只不过当时他无论如何也不可能想到的是，就这么一个普普通通的热机理论，在它默默无闻地度过了百年岁月之后，竟给后来的一些科学家罩上了花环，推崇到了至高无上的地位。

劳修斯在1885年引入了熵的概念，并把热力的前两条定律写成了宇宙学的形式。于是原来只适用于热机的理论，竟一下子扩充为普遍适用于一切的宇宙学原理。他的第一条定律说，宇宙的总能量是守衡的，第二条定律说，宇宙的总熵是在无情地朝着它的极大值增长。这就是为后来一些天文物理学家所推崇，又为另一些科学家们所腹诽而又无奈的熵增原则的来源。

客观地说，热力学第二定律所反映的熵增原则，的确符合人们对自然界的认识，因此曾验证过爱因斯坦相对论的英国科学家爱丁顿，又把这个理论推向了认识论的极致。他说：“我认为熵增原则即热力学第二定律，是自然界所有定律中至高无上的，如果有人指出你所钟爱的宇宙理论与麦克斯韦方程不符，那么麦克斯韦方程就算倒霉；如果发现它与观测相矛盾，那一定是观测出了问题。但是如果发现你的理论违背了热力学第二定律，我就敢说你没有指望了，你的理论只有丢尽脸、垮台。”

爱丁顿之所以敢把话说到这个份上，是因为他认识到在自然界中，的确不会发生与“热二”定律相违背的现象：冷水不会自动加热，打碎了的瓷器不会自动重组，台球不会自己从球袋里跳出来，生命不可能死而复生等等。在现实生活中，这类单方向趋向混沌的例子俯拾皆是，因此极具权威的爱丁顿的话自然成了无可争辩的绝对真理。但这还不算完，德国大科学家霍姆霍斯在深入研究了“热二”之后，在此基础上又前进了一步，他不容置疑地说：“整个宇宙的演化就是逐渐地退化，最后终止于热力学平衡。”

最后终止于热力学平衡？老天！这不明明向世人颁布宇宙必将毁灭，人类必将灭亡的宣言吗？热力缘何如此冷酷，竟敢向它生存环境的本身发起挑战，难道它就不怕一起毁灭吗？

其实宇宙到底能否长存 与“热二”定律根本无关。“热二”定律最大的“罪过”，不过是企图充当宇宙消亡的预言者，和不受欢迎的报丧人而已。

现在姑且不论大爆炸与守恒态宇宙哪个正确，就目前人类所能观测到的空间来看，其半径已基本达到了150亿光年之远。在这已知的近300亿光年空间的总宇宙中，已初步查明共有各种形式的星系500多亿个，其中最小的也有几千光年，大些的甚至能达到几万、几十万光年之巨！在以上所有这些庞大的星系家族成员中，绝大多数恒星的寿命都在几百万、几千万、几亿甚至几十亿年之间。这就是说我们周围的星空和我们的眼里的恒星，绝大多数都经历了生生死死、死死生生不知多少个轮回了。在这种宇宙演化的过程中，尽管它们每次毁灭都毫无例外地遵循着“热二”定律；在另一方面，所有恒星的诞生又全部都违反着熵增原则，如若不信，请您在夜里仰望星空时，看着那认不清、数不尽的繁星，其中有几个不是重复的生命，再造的“新人”？

然而事情并未结束，因为按照热力学第二定律、熵增原则在“毁灭”宇宙时还附加了一个前提条件，即必须是一个理想的独立系统。

何为理想的独立系统？在地球上，一个盛满了开水的暖瓶应该是既合格且又完善的独立系统。宇宙中没有那么大的暖瓶，但除了与外界有物质交流的、处于碰撞状态的星系之外，其他所有的独立星系因为对外没有物质交流，对内所有天体都受制于同一个引力场，所以它们都应该是理想的独立系统。但就在宇宙这数百个独立系统中，不但每个庞大的星系中每时都有单个或成批的星球趋向于死寂沉沉的热力学平衡，同时每刻也都有成批的星球在星云中诞生。就像涅槃之后再生的凤凰一样，重新在星系的各个角落放射耀眼的光芒。为了揭示恒星诞生的大环境，展示恒星诞生的全过程，我们不妨先解剖一个星系中的大星云，看星云内的星球们是如何违反“热二”定律，以绝对反熵的形式自行在烟雾迷茫的星云中产生的。

星云的种类较多，概括起来主要有弥漫星云，有行星状星云，有超新星遗留下来的灰烬，也有黑洞蒸发后残留下来的物质团，这些都属星云范畴。就其发光的性质来说，有发射星云、反射星云和依靠星空背景衬托的暗星云。

各类星云都属星际物质，即星际气体和星际尘埃。星际气体中含有气态原子、分子、电子和离子等。星际气体的元素中氢占多数，其次是氦。星际尘埃包括冰状物质、石墨和硅酸盐等混杂物。下面就具体描述一下恒星在星云中诞生的详细过程，看它们到底是怎样在热力学平衡的死亡灰烬中，一步步自发地创生、成长并成功地发展起来的。

在浩瀚无垠的弥漫星云中，由于物质不可能被分配得绝对均匀，有时在某些空间会出现一些密度稍大一些的质点，这些具备物理特性的质点由于引力也较周围稍大那么一点儿，附近的物质便慢慢往“点”的方向聚拢。随着时间的推移，物质愈集愈多，物质团越来越大，到了一定程度以后，由于物质不均导致了引力不均，正是这两个不均让物质团在零空间中产生了旋转。旋转扭曲了周围的时空，使得距离较远的物质以更快的速度和更大的数量向引力中心下落，于是产生了方向、诞生了时间、提高了温度，如此周而复始，物质团加速旋转，加速积累，加速膨胀，当物质团中心的密度达到一定的值，体积达到了一定的规模以后，会产生引力塌缩，并在塌缩的过程中迅速升温升压，如此之后，物质团已经是巨大的星球了——当星球中心的温度和压力最终达到了临界点，便会自发地产生热核反应：每四个氢原子核结合成一个氦原子核，并在这个过程中释放出巨大的能量：氢弹爆炸。谁能想到，一个没有大脑和双手的宇宙，竟能用最简单最原始的材料自我造出氢弹来，而且又绝非一颗两颗，而是成千上万甚至相当于成百上千万颗氢弹同时爆发的量，于是一颗甚至一群全新的恒星，就这样在宇宙的“浓汤”中诞生了！

正因为如此，克劳修斯、爱丁顿和霍姆霍斯等人根据热力学第二定律所升格的宇宙学在这里不能成立。

鉴于上述原因，我认为“热二”定律则既合理，又有限：它能够毁灭生命，但不能毁灭人类；它能够毁灭地球，但无法毁灭宇宙。熵增原则所代表和所制约的，基本属于地球小范围的真理。一旦放到宏观的宇宙效应上，它马上便失了作用。

在说明宇宙的基本理论中，如果把牛顿力学比作可爱的苹果，相对论就是照耀苹果的阳光；如果把量子力学比作构成苹果的分子，那么热力学就是吞没苹果的黑洞。不过这个黑洞并不一定像人们想象的那样狰狞可怕，因为这个黑洞无论多么强大，最终还是会被霍金辐射无情地蒸发，而蒸发后的物质又将还原为到处弥漫的宇宙尘埃，这个过程又还原了克劳修斯的熵增，霍姆霍斯的“热寂”，在地球上，物质到此已基本走到了尽头。但在宇宙中，同样的尘埃却面临着完全不同的命运：它们只要耐心等待，便有机会再生；一旦反熵的时机来临就会成为下一代恒星的主人，重新走上光辉灿烂的明星之路。事情到了这里，一切又回到了原点，回到热力学第一定律，即宇宙总能量守恒的轨道。于是燃烧的生命重新开始，熵退化变成熵进化，牛顿的能量守恒和物质不灭原理重新主宰了宇宙，再次成为宇宙永存的终极真理。