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热寂说的提出及其影响(1)

2013-10-06 01:12 　　[摘要]对热寂说的历史进行了较系统的考察，并对其产生的社会影响及批判作了较系统的探讨和阐述。全文分四部分：一、全面回顾了在科学史上热寂说是怎样提出的，以及一经提出后引发的各种争论及争论的焦点；二、分析了热寂说提出后产生的重大社会影响；三、着重介绍及评述了对热寂说进行的各种批判，重点是对后世影响较大的两个代表性说法恩格斯对热寂说的批判及较流行的各种观点；四、阐述和探讨了“大爆炸”的宇宙理论及其三个强有力的直接论据，以及引力对宇宙膨胀的作用，从而最终证明宇宙热寂说是不可实现的。
 
　　[关键词]热寂说；熵增加原理；近代宇宙论
　　
　　“热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论，它既是哲学上的一个原则问题，也是物理学上无法直接验证的问题，它的意义关系到包括生命物质在内的万物生长、发展和消亡的普遍规律以及人类和宇宙的未来等问题。所以一经提出，就一直受到科学界和哲学界的广泛关注并引起激烈的争论，但尚缺乏较全面的专论。本文试图对热寂说提出的历史进行较系统的考察，并对其产生的社会影响及批判作进一步的探讨和阐述。
　　
　　一　热寂说的提出
　　
　　一般的热学和物理学史教科书都认为最早提出热寂说的物理学家是威廉·汤姆孙和克劳修斯。其实早在威廉·汤姆孙(W.Thomson)和克劳修斯(R.Clausius)一百多年前牛顿就已看出了他们后来提出的热寂说(heat death)。牛顿在其《光学》一书的疑问31(problems 31)中描述了后人在一百多年后描述的可怕的宇宙毁灭景象：地球、行星、彗星和太阳这些物体，以及它们上面所有的一切，均将冷却和凝冻，变为非活性的物体。并且所有腐烂、生长、繁殖和所有生命现象，均将停止。所有的行星、彗星将不再能留在它们的轨道上运动。这就是说，牛顿在建立自己力学体系之初，就已意识到它的体系不能解释非弹性碰撞过程(实际上就是牵涉到热交换的过程)的不可逆性与宇宙稳定性的矛盾。为了解决这一矛盾，牛顿提出了“主动原理保持和补偿运动”的物理思想。他指出：“所以，有一种按照主动保持和补偿运动的必要性，这就是重力的原因。行星和彗星由这个原理保持在轨道上，降落时物体获得大的运动，由发酵的原因，动物的心脏和血液保持永恒的运动和热量。地球内的部分持续生热，某些部分变得很热……太阳保持剧热并可见，以其光使万物变热。除去归之于这些主动原理之外，我们在宇宙间遇到的运动很少。”从这段话可以看出，虽然牛顿带有过分强烈的思辨性，但他在设法超脱机械论的局限性，希望用非机械论的解释摆脱力学带来的困难。然而在他那个时代，当能量、能量守恒定律以及各种运动形态均未出笼时，他的设想是很难有什么积极的成果的。为此，他只好求助于上帝的存在，希望上帝给以支援。他在同一书中又指出：“上帝既是宇宙的创造者，又是宇宙的持续的保持者。”“没有他的治理和监督，就会一事无成。说宇宙是一架大机器，无需神的干预即可以运转下去，就如同一个时钟不需要钟表匠的帮助而继续运转那样，这种观念实际上是以把上帝说成是超凡的神灵为借口，想把天意和上帝对现实的统治排除掉。”

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　　随后，欧勒、拉格朗日、拉普拉斯和泊松等一批物理学家和数学家从数学分析方面发展了力学，他们证明，太阳系中所有的变动都是周期性的，这种变动不仅在某一有限范围内进行，而且其增强或减弱的变化也是周期性的。因此，他们得出结论，认为太阳系具有一种稳定性，而且在无限长的时期里，这种稳定性是永远不会改变的。从而他们从物理思想中排除了上帝，这当然是一个了不起的进步，但他们却由此而忽视了牛顿对于不可逆过程的担心，并想彻底抛弃这种忧虑，而宣布太阳系(乃至整个宇宙)将永远稳定，应该说这也是物理思想史上的一次后退。
　　由以上简单的历史回顾可知，当W·汤姆孙和克劳修斯揭示了自然过程的不可逆性这一曾在历史上争论过的问题后，为什么会引起当时许多一流物理学家的高度重视!
　　1852年，W·汤姆孙在关于自然界中机械能耗散的一篇论文中提出，在自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热寂状态。他在1862年发表了《关于太阳热的可能寿命的物理考察》论文，明确提出“热寂说”。他写道：“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，以及热的枯竭，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。”
　　从汤姆孙这段话可以看出，他从机械能转化为热而耗散和热力学第二定律，得出宇宙热寂的观点。随后克劳修斯在1865年的论文《论热的动力理论的主要方程的各种应用形式》中得出：“这个定律在宇宙中的应用，已得出一个结论，那是汤姆孙首先得出的，因此我才发表我所说的论文。”可见克劳修斯承认汤姆孙先于他提出热寂说，并启发他做进一步的尝试。
　　克劳修斯在1865年的上述论文中把宇宙看作一个孤立的绝热系统，在这个系统中热的正向变化总是大于负向变化，因此他认为宇宙热量的总和将向一个方向变化而趋于最终状态。另外他指出，他的熵只包含了“热含量”和“热离散度”，而未考虑当时已知的热辐射和由“以太”传播的热量等。他写道：“由此熵尚未用尽，还必须考虑辐射热，或以太振动方式通过宇宙空间弥散热的其它形式，以及不包括在热名义下的那些扩展更远的某种运动。”正是在上述前提下得出他表示的宇宙基本定律：1)宇宙的能量是恒定的；2)宇宙的熵趋于极大。克劳修斯在1867年作的《关于机械热理论的第二定律》的讲演中，又进一步提出：“宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态，它继续发生变化的可能性就越小；当它最后完全达到这个状态时，就不会再出现进一步的变化了，宇宙将永远处于一种惰性的死寂状态。”这就是著名的克劳修斯的“热寂说”的来历。
　　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个限定，而是毫无条件地推广到整个宇宙。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。
　　除W·汤姆孙外，在克劳修斯前提出热寂说的还有赫姆尔霍兹，这一点很久以来似乎被人们忽视了，他在1854年的一次讲演中就谈到热力学第二定律意味着整个宇宙最终将处于温度均匀的状态，并且“自此以后，宇宙将陷入永恒的静止状态”，即热寂状态。
　　
　　二　热寂说的社会影响
　　
　　热寂说的提出，在社会上引起了巨大的反响，因为它是基于严谨的科学定律而预言的“世界末日”。这种世界末日的悲观思想造成了19世纪欧美所特有的悲观情绪，使很多人因此对社会进步感到悲观失望，以致不仅自然科学家关心，人文学者也同样关心。

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　　美国历史学家亨利·亚当斯把它解释为19世纪所特有的低落情绪的原因，还把它与对社会进步的失望情绪相联系，正是这一观念给一些作家带来了一种对宇宙热死亡的忧郁心态。例如具有资产阶级自由思想的英国诗人斯温伯恩曾这样描述了热寂：
　　不论是星星还是太阳将不再升起，
　　到处是一片黑暗，
　　没有溪流的潺潺声，
　　没有声音，没有景色，
　　既没有冬天的落叶，
　　也没有春天的嫩芽，
　　没有白天，也没有劳动的欢乐，
　　在那永恒的黑夜里，
　　只没有尽头的梦境。
　　美国的物理学史家G·霍尔顿把这种没落情绪正确地归之于社会原因。他在《物理科学的概念和理论导论》一书中指出：“热寂说对于一些流行作家有一种不健康的吸引力，这些作家沉湎于席卷欧美社会某些部分的关于世界末日的悲观情绪。由于熵的增加意味着更大的无秩序的混乱，这也许就是对社会崩溃和环境衰退的一种解释!”
　　这样，热力学第二定律被视为堕落的渊薮。因为它断言，一切都不免从有序走向无序，从整齐走向混乱。甚至更有人延伸说，热力学第二定律表明人种将从坏变得更坏，最终都要灭绝。总之，在19世纪末，热力学第二定律和由它导出的热寂说，已成了社会声誉最坏的科学定律。
　　因此，从19世纪开始，就不断有人提出各种方案或假说来批判热寂说，试图证明热寂说只是一个佯谬，由此证明宇宙是不会热寂的。这些批判都十分令人钦佩，因为它们若成功了，就不仅拯救了物理学的名声，而且也“拯救了整个宇宙和人类”。  

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论文出处(作者):何维杰　刘利辉