什麼是熵增定律?科學家:它能決定宇宙的命運,人類也受支配

夜晚的星星,有些從太陽系還是一片塵埃時就存在于宇宙中了,有些哪怕等到50億年後,太陽熄滅了它們都不會熄滅。

地球上的人總是把太陽當作永恆的象徵,並且把太陽這一類天體也冠以了恒星的名號, 仿佛它們就是宇宙中永恆的存在,但隨著科學的進步,人們開始逐漸明白,包括太陽在內,宇宙中沒有什麼東西是永恆的。

甚至連宇宙本身,也是一個有壽命的存在

目前的宇宙學理論認為,我們的宇宙起源于138.2億年前的一次大爆炸,當時沒有時間也沒有空間,在人類大腦根本無法想象出畫面的那個「存在」中,只有一個奇點,這個奇點可以看作是宇宙的種子,是時間和空間的開端,是所有物理定律的開端,同時也是組成恒星和人類的所有物質的開端。

不知道什麼原因,奇點在138.2億年前的某一刻發生了爆炸,在短時間內迅速膨脹到了一個相當大的體積,時空和物質也在膨脹中成型,大爆炸後30萬年,光子開始在宇宙中飛行,星雲開始凝聚成第一代恒星,然後是含有重元素的第二代恒星, 我們的太陽就是一顆典型的第二代黃矮星,而地球以及地球上的我們,都是恒星的孩子。

時至今日,在天文學家的觀測中,我們的宇宙仍在加速膨脹中,且這一速度在距離地球145億光年外的地方正式超過光速,也就是說,145億光年之外的星系退行速度已經超過了光速,人類永遠看不見它們。

但不要忘了,宇宙也並非永恆的存在

物理學家是最先意識到宇宙擁有生命極限的人,因為在研究永動機的路上, 熱力學中出現了熵增定律,通俗來說就是在一個封閉的系統內,系統的混亂程度總是會不斷上升的,而永遠不可能自發下降。

因此一間屋子沒人打掃就只能落灰,而不會自動變得越來越乾淨,同理,一個已經碎了的杯子也不可能自發再還原成杯子的模樣。

把上面這兩個例子代入宇宙後不難發現:太陽總有一天會熄滅,黑洞在漫長的時間過後也會蒸發殆盡,雖然現在還有新的恒星在不斷誕生, 但宇宙中的物質總量歸根結底也是有限的,恒星不可能無限產生,因此總有一天,在熵增定律的影響下,宇宙中所有的恒星都會熄滅,宇宙將變成一片死寂。

從微觀上來看

宇宙中所有物質都由微小粒子組成,這些粒子在一刻不停地做著無規則運動,運動速度越快,物質溫度越高,但同時也代表著內部粒子運動的無序度越高,即「熵」值越大。

在兩杯溫度不同的水之間,熱水中的高熵粒子會主動轉移到冷水中的低熵粒子,直到兩者之間粒子運動速度相同,熵值相同,在這個過程中,原本熵值較低的涼水已經升高了,內部的無序度也增大了。

再進一步探究熵增的本質:在一個封閉系統中,事物只會自發地從低熵向高熵行進,且過程不可逆 ,而我們的宇宙就是最大的封閉系統,因為目前沒有任何證據表明其他宇宙是存在的,也就是說,宇宙內的熵增無法避免。

現在讓我們推演一下宇宙的未來

50億年後,太陽內部的氫元素耗盡,體積將是現在的200倍,屆時將會吞沒水星、金星、直至地球, 當氦元素燃燒完後,百億年的核聚變停止,太陽在一次大爆炸中變成白矮星,此時它不再擁有耀眼的光芒,而是發散著幽幽的白光。

這幽幽白光也會在幾十億年內逐漸熄滅,最後看不見任何光亮,天文學家將這種天體稱之為 黑矮星。

另外一些超大質量恒星將會在核聚變中止後發生大爆炸,形成中子星或黑洞,中子星會在一刻不停地高速自轉中從兩極發射高能量脈衝,通常只有較短的幾億年壽命。

超大質量黑洞或許是宇宙最後還存在的天體,它會吞噬掉所有已經消亡的恒星。但即便是魔鬼一樣的黑洞,在吸收物質的同時也在蒸發著自身的質量,在漫長的時間中走向衰變,最後在一次大爆炸後迎接死亡。

以上這些事件都發生後, 宇宙中就達到了熱平衡,茫茫宇宙將只剩下絕對的黑暗,唯一有希望避免這一結局的辦法,只有找到其他宇宙。因為一旦其他宇宙存在,我們宇宙的熵增就能轉移過去,就像熱水的溫度會逐漸轉移到冷水一樣。

反倒是人類自己,一直都在不斷對抗熵增,時間之箭,指向荒蕪,人的一生就是一個不斷抵抗熵增的過程,只有我們不斷為自己注入新的能量,才不會走向混亂無為的人生。

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