导语
相信很多人都听说过“熵增定律”,这是热力学第二定律的另一种描述方式。
热力学第二定律指出了宇宙无序度是在不断增加的,最终会导致宇宙的彻底终结。
然而,随着现代科学技术的不断进步,人们对于宇宙的探索也变得愈发深入,很多“定律”也开始被打破。
比如,原本人们一直认为宇宙中所能观测到的物质全部加起来所占据的质能总量应该占到绝大部分,但是随着暗物质和暗能量的不断揭开面纱,令人感到震惊的是,我们观测到的物质所占据的比例居然只有宇宙总质能的很小一部分。
这些未知的物质和能量又会给宇宙的未来带来什么样的未知变数?
一、熵增定律和宇宙终极命运。
人们在进行科学研究,总会根据自己对于自然规律的认识,进行总结和假设。
这些总结和假设有的能被证实,有的不能。
在一些被证实的假设中,热力学第二定律就是其中之一。
热力学第二定律主要是依靠熵这一物理量指出了宇宙“无序度”是在不断增长的。
在这个定律中,熵(entropy)是一个很重要的物理量,它反映了一个系统内部的无序程度。
比如,如果一个系统的熵变化为正,那么这说明系统内部的无序度是在增加;如果一个系统的熵变化为负,那么这说明系统内部的无序度是在减小。
这个定律可以用来解释很多自然规律,比如为什么一定会有热量从温度较高的物体流向温度较低的物体,但是却从来没有逆过来的情况。
实际上,热力学第二定律的核心内容就是系统的总熵永远不会减小。
如果没有外部的干预,系统的总熵只会增大,系统的无序度只会增加,直到达到最大值,或者系统最终走向死亡。
热力学第二定律所描述的这种“无序度”的增加过程也可以被称为“热寂” ,即“宇宙的死亡”。
在这种说法下,总有一天,人类所知道的世界,将撑不住熵的增长,宇宙只剩下无尽的沉寂。
从这个角度看,热力学第二定律可以说是宇宙的一个终极定律,它预示着宇宙最终不可避免的走向,即与宇宙开始的热烈的创造相反,它终将走向沉寂。
其实热力学第二定律并不仅仅是适用于宇宙这个大系统,它所描述的无序度的增长还会影响我们所能观察到的很多小系统,比如星系、星星、甚至是原子。
从这个角度说,它是适用于宇宙中大小不同的系统——哪怕是“人”。
实际上,针对人这个单个系统,不难看出,熵的大小会随着时间的推移而不断增加,人近乎是一个封闭系统,所以无论是的内在无序度还是人的外部无序度,都会随着时间的推移而增大,直到死亡。
二、“宇宙大撕裂”。
然而,在提到宇宙的终极“无序度”的时候,人们总会联想到一个被长时间独立讨论的话题——“宇宙大撕裂”。
在爱因斯坦提出广义相对论之后,科学家们对于宇宙的起源和未来也开始进行新的思考,人们通过推测各种不同的宇宙模型来探索宇宙的终极命运。
其中,“宇宙大撕裂”这个说法是由物理学家阿尔伯特·席特罗斯基提出的一种观点。
席特罗斯基认为,宇宙肯定处于膨胀状态,而且宇宙的膨胀会一直持续下去,直到宇宙的膨胀速率达到无限大,也就是十分庞大的一个数字,那时候,宇宙就会发生大撕裂。
如果把这个观点和“热寂”联系起来看,就会发现两者的表述反而有点类似。
只不过前者主要定性地描述了热量的流动方向,而后者给出了显著的定量结果。
当然,这两种描述方式是不同的,但是似乎又有一定的联系。
实际上,没有谁是对谁是错,并且正是由于“热寂”存在,席特罗斯基的“大撕裂”才有可能,其中的联系还有很多,这就不一一展开了。
人们对于宇宙的终极命运的探索已经进行了很久很久,但是正是由于暗物质、暗能量这样不为大众所知的东西,令人感到疑惑,这两样物质是什么?
为什么他们会令人感到如此震惊?
其实,相信关注天文学领域的朋友对于这两种物质肯定不会陌生了,简单来说,暗物质就是在微观尺度的粒子物质中不存在的,但是在宏观尺度上却会展现出特殊的重力性质的物质。
而暗能量,实际上不是一种物质,而是一种物质对于整个宇宙的作用所产生的效果。
人们观察到的宇宙膨胀现象就是暗能量对于宇宙的作用发生的结果。
三、“千万亿年”后。
随着人类对于宇宙的探索不断深入,发现的事物也愈发不可思议。
现在,人们所知道的就存在着上百种不同的粒子,但是这些粒子组成的物质却占到宇宙总质能的比例非常小。
暗物质能和普通物质一样通过引力来形成星系甚至是星系团,如此一来,暗物质的质量必然更加庞大,也就导致它所占据的比重更大。
那么暗物质有多大?
它占据的比例约占宇宙总质能的27%。
而普通物质所占比重只有5%,而这还包括了我们所熟悉的原子、分子等等物质。
此外还有暗能量占据着剩余的比重,暗能量虽然所占比重只有68%,但是这还是个很大的数字,因此暗物质和暗能量所占比重加起来是普通物质的好几十倍。
其中,暗物质和暗能量的总质量约为10^54吨,而普通物质的总质量只有10^51吨。
其实,暗物质和暗能量的发现并不是一两年的时间了。
暗物质是在1932年被瑞士物理学家菲茨帕特里克首次提出的。
暗物质和暗能量的发现打破了人们对于宇宙终极命运的设想。
原本人们一直以为,宇宙总共有三种物质,分别是普通物质、辐射和黑体。
其中,普通物质所占的比例最大,然而随着暗物质和暗能量的不断揭开面纱,人们才发现,宇宙中还隐藏着那么多能量和物质。
暗能量是自然界中的一种物理力量,它所具备的作用是将宇宙中的物质不断撕扯开,导致宇宙的加速膨胀。
正是因为暗能量不断对物质进行撕扯,才使得宇宙的膨胀速率不断变大,而且这种变化只会越来越快,最终甚至可能达到无限大。
此时,人们观测到的星体之间的距离将会越来越远,最终可能会达到超过万兆光年,甚至可能会使所有的物质被撕裂。
结语
然而,也有一些学者认为随着物质之间的相互引力不断增大,宇宙可能会再次大爆炸。
因为物质之间的相互吸引力有可能会制约宇宙的膨胀速率,或许在“千万亿年”之后,宇宙会再次大爆炸,而到时候,又会形成一个新的宇宙。
对于这两种观点,人们讨论的也是很多,但是暗物质和暗能量的发现,并没有改变宇宙终极命运的预言,为了探索这个领域,也需要我们不断努力、探索。
延伸观点
我们所能够观测到的宇宙膨胀的事实,是宇宙学中很重要的一个发现,同时,宇宙加速膨胀所用的“暗能量”也是一种不为大众所知,很有意思的一个概念。
席特罗斯基的“大撕裂”这个概念,虽然听起来凄凉无比,但是却有很强的物理依据,我们也期待有一天能够亲眼见证宇宙中的万象。
对于宇宙学的研究始终是一个不断深入的过程,未来,我们还有很多要探索的领域。
暗物质和暗能量的发现,是意味着宇宙中仍然存在很多未知的力量和物质,这可能会影响人类对于宇宙终极命运的理解。
暗物质和暗能量的性质和作用机制,现在很多仍然没有人能够完全解释透,探索这些问题,将有助于人们更深入地理解宇宙的演化过程。
再一个,人类对于宇宙膨胀和收缩的探讨,不仅引出了人们对于宇宙循环性和再生性的思考,这种思考可能会影响人们对于宇宙和生命的意义的理解。
但也正是由于人类对于宇宙的探索和思考,研究出许多弥足珍贵的知识,这无疑对于人类的发展有很大的推动。
人类有着无尽的好奇心,对于宇宙的奥秘,我们一定会不断探索,直至揭开它所有的面纱。
不久的将来,也许就会有一位科学家通过对这些问题的研究,找到答案,为人类探索宇宙的道路再次创造奇迹。