第一〇七章 膨胀
年龄一百四十亿年的宇宙,却有四百六十亿光年的半径,这的确很奇怪。
如果宇宙的年龄仅有一百四十亿年,按大爆炸理论的说法,宇宙又是诞生自密度无穷大的奇点,那么,今天的宇宙怎可能有四百六十亿年的半径,难道说,宇宙非但在持续膨胀,这膨胀的速度,还会快过宇宙中公认最快的物理现象——光,这可能吗。
按一般意义的理解,物质要超过光速,就是笑谈,但宇宙膨胀的速度恰恰就是如此。
超光速膨胀,为什么宇宙膨胀的速度可以超越每秒299792公里,方然倒有一些认识,这是因为宇宙的膨胀,并非通常意义上的天体互相远离——也就是天体自身的运动,而是这些天体所处的时空本身在扩张。
时空的扩张,或者说,运动,显然和一切客观存在的物质不同;
不受光速上限的约束,也不奇怪。
从宇宙大爆炸一直到今天,一百四十亿年来,宇宙本身始终在以超越光速的速度向外扩张,这种事,哪怕物理专业的学生都不太容易摹想,而时常会发出“宇宙在哪里扩张,宇宙之外是什么”的怪异诘问。
这些问题,教师们的解答千篇一律,方然也没空去深究。
他只知道,所谓“宇宙之外”,
本身就是一种毫无意义的表述。
不管这所谓的“宇宙之外”到底想表达什么意思,那种存在,显然已超越了人类的观测和分析手段,是穷尽任何构想也绝对无法接触的,事实上根本就不存在的东西。
某种意义上,正与“针尖上的天使”大致仿佛,不管围绕这定义如何思考,辩论,本质上都是在假想风车,然后对着空气挥动矛枪。
总而言之,宇宙,目前呈现一种减速膨胀,持续扩张的面貌,这就够了。
跟随理查德*费曼的思路,让方然确信,至少按目前的科学观测来看,宇宙步入“大挤压”的可能性几乎不存在。
即便这样的表述,对一个意在永不下车的人来讲,是否足够保险,还不好说,但和莫须有的回归奇点相比,另外一种结局:热寂,出现的概率却大得多,于是他用插话的方式提醒费曼,他们正讨论的并非天文,而是热力学定律描绘的宇宙图景。
“啊,关于‘热寂’,这是热力学定律的直接推论;
但很遗憾,关于宇宙终将变为一片死寂,熵增加到最大、再也无法提升的设想,是片面的。”
注意到方然的表情变化,教授略感疑惑。
说起来,这学生为什么对宇宙、热寂这些概念如此关注,甚至还“如释重负”呢。
格外专注的眼神,在很多物理系的学生眼中都见不到,莫非他是一个业余物理爱好者不成,最好别,那种人可真是难缠得很:
“用热力学定律,推导出宇宙的暗淡结局,这可一点也不有趣。
问题在于,正如我们刚刚还在讨论的,分析宇宙的演化,就不能忽略一个非常关键的事实:
宇宙膨胀。
热力学定律,哦,这里主要是指第二定律,本身是很简单:
‘在孤立系统中,热量只能从高温物体转移到低温物体,而无法自发的逆向转移’,表现在系统的熵值上,只能增大,而绝对无法自行减小;
道理是这样没错,但,年轻人;
你还记得物理课本上‘孤立系统’的定义吗。”
“孤立系统……”
和孤立系统有什么关系呢,方然随口便答,这些基础概念他很扎实:
“定义上讲,是一类与外界不存在任何物质、或能量交换的系统,在分析热力学问题时,孤立系统无需考虑外界的影响。”
“正是如此。
在一百多年前,路德维希*玻尔兹曼先生在研究时,就敏锐的指出,热力学、统计物理学的研究前提,必须对系统进行精确的分类;
热力学第二定律的所谓‘热寂’,很明显,只对孤立系统才成立,但是……”
“但是,宇宙本身,难道不是一个孤立系统吗。”
孤立系统,和许许多多的物理概念一样,都是凭空设想、而非真实存在的物理模型,不过方然记得,物理教师的确说过,根据人类现有的认识,可以把宇宙看成一个孤立系统,因为在不断膨胀的宇宙之外,“什么也没有”。
宇宙以外,什么都不存在,这看似十分符合孤立系统的定义。
中学时代的物理教育,不甚系统,进入伯克利后一直学习的物理,也偏重于实用,方然对“宇宙是孤立系统”的认识也没有更新,直到现在,藉由理查德*费曼之口,他才忽然间意识到,热力学定律并不能直接套用到所谓“孤立”的宇宙身上。
“是的,将宇宙看做一个孤立系统,这并没有问题。
但、年轻人,你就没考虑过,这孤立系统的行为和书本上描述的大有区别、并不适用热力学第二定律吗?
原因很浅显,这系统,它的空间尺度可是一直在变化的,因为时空本身,就来自于宇宙大爆炸、和其后的持续膨胀啊。”
“是……是这样吗。”
一语中的,方然的知识储备让他理解了费曼教授的思路,皱眉思考片刻,好像还真的是这样。
宇宙,和理想情况下的孤立系统,区别究竟在哪,在于宇宙本身就蕴含着时空的概念:持续膨胀的宇宙,虽然与未可知的外界没有任何物质、或能量的交换,本身占据的空间却越来越大,其行为,也必然与寻常的孤立系统迥异。
一般意义上的孤立系统,定义上,着眼的是物质和能量。
至于体积上的改变,倒不是无法研究,而是万变不离其宗,并不影响热力学的结论。
譬如气缸,其容积可以随活塞的运动而变,进而导致整个系统的熵变化,当容积扩大时,从气缸空间的总体上考虑,熵值的上限,显然会因为空间的增大而提高。
但这种变化,早晚会往复循环,一次次回到起点,容积持续扩张、趋势永远不变的气缸是荒谬的。
但宇宙,却恰恰就是如此。
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如果宇宙的年龄仅有一百四十亿年,按大爆炸理论的说法,宇宙又是诞生自密度无穷大的奇点,那么,今天的宇宙怎可能有四百六十亿年的半径,难道说,宇宙非但在持续膨胀,这膨胀的速度,还会快过宇宙中公认最快的物理现象——光,这可能吗。
按一般意义的理解,物质要超过光速,就是笑谈,但宇宙膨胀的速度恰恰就是如此。
超光速膨胀,为什么宇宙膨胀的速度可以超越每秒299792公里,方然倒有一些认识,这是因为宇宙的膨胀,并非通常意义上的天体互相远离——也就是天体自身的运动,而是这些天体所处的时空本身在扩张。
时空的扩张,或者说,运动,显然和一切客观存在的物质不同;
不受光速上限的约束,也不奇怪。
从宇宙大爆炸一直到今天,一百四十亿年来,宇宙本身始终在以超越光速的速度向外扩张,这种事,哪怕物理专业的学生都不太容易摹想,而时常会发出“宇宙在哪里扩张,宇宙之外是什么”的怪异诘问。
这些问题,教师们的解答千篇一律,方然也没空去深究。
他只知道,所谓“宇宙之外”,
本身就是一种毫无意义的表述。
不管这所谓的“宇宙之外”到底想表达什么意思,那种存在,显然已超越了人类的观测和分析手段,是穷尽任何构想也绝对无法接触的,事实上根本就不存在的东西。
某种意义上,正与“针尖上的天使”大致仿佛,不管围绕这定义如何思考,辩论,本质上都是在假想风车,然后对着空气挥动矛枪。
总而言之,宇宙,目前呈现一种减速膨胀,持续扩张的面貌,这就够了。
跟随理查德*费曼的思路,让方然确信,至少按目前的科学观测来看,宇宙步入“大挤压”的可能性几乎不存在。
即便这样的表述,对一个意在永不下车的人来讲,是否足够保险,还不好说,但和莫须有的回归奇点相比,另外一种结局:热寂,出现的概率却大得多,于是他用插话的方式提醒费曼,他们正讨论的并非天文,而是热力学定律描绘的宇宙图景。
“啊,关于‘热寂’,这是热力学定律的直接推论;
但很遗憾,关于宇宙终将变为一片死寂,熵增加到最大、再也无法提升的设想,是片面的。”
注意到方然的表情变化,教授略感疑惑。
说起来,这学生为什么对宇宙、热寂这些概念如此关注,甚至还“如释重负”呢。
格外专注的眼神,在很多物理系的学生眼中都见不到,莫非他是一个业余物理爱好者不成,最好别,那种人可真是难缠得很:
“用热力学定律,推导出宇宙的暗淡结局,这可一点也不有趣。
问题在于,正如我们刚刚还在讨论的,分析宇宙的演化,就不能忽略一个非常关键的事实:
宇宙膨胀。
热力学定律,哦,这里主要是指第二定律,本身是很简单:
‘在孤立系统中,热量只能从高温物体转移到低温物体,而无法自发的逆向转移’,表现在系统的熵值上,只能增大,而绝对无法自行减小;
道理是这样没错,但,年轻人;
你还记得物理课本上‘孤立系统’的定义吗。”
“孤立系统……”
和孤立系统有什么关系呢,方然随口便答,这些基础概念他很扎实:
“定义上讲,是一类与外界不存在任何物质、或能量交换的系统,在分析热力学问题时,孤立系统无需考虑外界的影响。”
“正是如此。
在一百多年前,路德维希*玻尔兹曼先生在研究时,就敏锐的指出,热力学、统计物理学的研究前提,必须对系统进行精确的分类;
热力学第二定律的所谓‘热寂’,很明显,只对孤立系统才成立,但是……”
“但是,宇宙本身,难道不是一个孤立系统吗。”
孤立系统,和许许多多的物理概念一样,都是凭空设想、而非真实存在的物理模型,不过方然记得,物理教师的确说过,根据人类现有的认识,可以把宇宙看成一个孤立系统,因为在不断膨胀的宇宙之外,“什么也没有”。
宇宙以外,什么都不存在,这看似十分符合孤立系统的定义。
中学时代的物理教育,不甚系统,进入伯克利后一直学习的物理,也偏重于实用,方然对“宇宙是孤立系统”的认识也没有更新,直到现在,藉由理查德*费曼之口,他才忽然间意识到,热力学定律并不能直接套用到所谓“孤立”的宇宙身上。
“是的,将宇宙看做一个孤立系统,这并没有问题。
但、年轻人,你就没考虑过,这孤立系统的行为和书本上描述的大有区别、并不适用热力学第二定律吗?
原因很浅显,这系统,它的空间尺度可是一直在变化的,因为时空本身,就来自于宇宙大爆炸、和其后的持续膨胀啊。”
“是……是这样吗。”
一语中的,方然的知识储备让他理解了费曼教授的思路,皱眉思考片刻,好像还真的是这样。
宇宙,和理想情况下的孤立系统,区别究竟在哪,在于宇宙本身就蕴含着时空的概念:持续膨胀的宇宙,虽然与未可知的外界没有任何物质、或能量的交换,本身占据的空间却越来越大,其行为,也必然与寻常的孤立系统迥异。
一般意义上的孤立系统,定义上,着眼的是物质和能量。
至于体积上的改变,倒不是无法研究,而是万变不离其宗,并不影响热力学的结论。
譬如气缸,其容积可以随活塞的运动而变,进而导致整个系统的熵变化,当容积扩大时,从气缸空间的总体上考虑,熵值的上限,显然会因为空间的增大而提高。
但这种变化,早晚会往复循环,一次次回到起点,容积持续扩张、趋势永远不变的气缸是荒谬的。
但宇宙,却恰恰就是如此。
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