第一〇七章 膨脹

年齡一百四十億年的宇宙,卻有四百六十億光年的半徑,這的確很奇怪。

如果宇宙的年齡僅有一百四十億年,按大爆炸理論的說法,宇宙又是誕生自密度無窮大的奇點,那麼,今天的宇宙怎可能有四百六十億年的半徑,難道說,宇宙非但在持續膨脹,這膨脹的速度,還會快過宇宙中公認最快的物理現象——光,這可能嗎。

按一般意義的理解,物質要超過光速,就是笑談,但宇宙膨脹的速度恰恰就是如此。

超光速膨脹,爲什麼宇宙膨脹的速度可以超越每秒299792公里,方然倒有一些認識,這是因爲宇宙的膨脹,並非通常意義上的天體互相遠離——也就是天體自身的運動,而是這些天體所處的時空本身在擴張。

時空的擴張,或者說,運動,顯然和一切客觀存在的物質不同;

不受光速上限的約束,也不奇怪。

從宇宙大爆炸一直到今天,一百四十億年來,宇宙本身始終在以超越光速的速度向外擴張,這種事,哪怕物理專業的學生都不太容易摹想,而時常會發出“宇宙在哪裡擴張,宇宙之外是什麼”的怪異詰問。

這些問題,教師們的解答千篇一律,方然也沒空去深究。

他只知道,所謂“宇宙之外”,

本身就是一種毫無意義的表述。

不管這所謂的“宇宙之外”到底想表達什麼意思,那種存在,顯然已超越了人類的觀測和分析手段,是窮盡任何構想也絕對無法接觸的,事實上根本就不存在的東西。

某種意義上,正與“針尖上的天使”大致彷彿,不管圍繞這定義如何思考,辯論,本質上都是在假想風車,然後對着空氣揮動矛槍。

總而言之,宇宙,目前呈現一種減速膨脹,持續擴張的面貌,這就夠了。

跟隨理查德*費曼的思路,讓方然確信,至少按目前的科學觀測來看,宇宙步入“大擠壓”的可能性幾乎不存在。

即便這樣的表述,對一個意在永不下車的人來講,是否足夠保險,還不好說,但和莫須有的迴歸奇點相比,另外一種結局:熱寂,出現的概率卻大得多,於是他用插話的方式提醒費曼,他們正討論的並非天文,而是熱力學定律描繪的宇宙圖景。

“啊,關於‘熱寂’,這是熱力學定律的直接推論;

但很遺憾,關於宇宙終將變爲一片死寂,熵增加到最大、再也無法提升的設想,是片面的。”

注意到方然的表情變化,教授略感疑惑。

說起來,這學生爲什麼對宇宙、熱寂這些概念如此關注,甚至還“如釋重負”呢。

格外專注的眼神,在很多物理系的學生眼中都見不到,莫非他是一個業餘物理愛好者不成,最好別,那種人可真是難纏得很:

“用熱力學定律,推導出宇宙的暗淡結局,這可一點也不有趣。

問題在於,正如我們剛剛還在討論的,分析宇宙的演化,就不能忽略一個非常關鍵的事實:

宇宙膨脹。

熱力學定律,哦,這裡主要是指第二定律,本身是很簡單:

‘在孤立系統中,熱量只能從高溫物體轉移到低溫物體,而無法自發的逆向轉移’,表現在系統的熵值上,只能增大,而絕對無法自行減小;

道理是這樣沒錯,但,年輕人;

你還記得物理課本上‘孤立系統’的定義嗎。”

“孤立系統……”

和孤立系統有什麼關係呢,方然隨口便答,這些基礎概念他很紮實:

“定義上講,是一類與外界不存在任何物質、或能量交換的系統,在分析熱力學問題時,孤立系統無需考慮外界的影響。”

“正是如此。

在一百多年前,路德維希*玻爾茲曼先生在研究時,就敏銳的指出,熱力學、統計物理學的研究前提,必須對系統進行精確的分類;

熱力學第二定律的所謂‘熱寂’,很明顯,只對孤立系統才成立,但是……”

“但是,宇宙本身,難道不是一個孤立系統嗎。”

孤立系統,和許許多多的物理概念一樣,都是憑空設想、而非真實存在的物理模型,不過方然記得,物理教師的確說過,根據人類現有的認識,可以把宇宙看成一個孤立系統,因爲在不斷膨脹的宇宙之外,“什麼也沒有”。

宇宙以外,什麼都不存在,這看似十分符合孤立系統的定義。

中學時代的物理教育,不甚系統,進入伯克利後一直學習的物理,也偏重於實用,方然對“宇宙是孤立系統”的認識也沒有更新,直到現在,藉由理查德*費曼之口,他才忽然間意識到,熱力學定律並不能直接套用到所謂“孤立”的宇宙身上。

“是的,將宇宙看做一個孤立系統,這並沒有問題。

但、年輕人,你就沒考慮過,這孤立系統的行爲和書本上描述的大有區別、並不適用熱力學第二定律嗎?

原因很淺顯,這系統,它的空間尺度可是一直在變化的,因爲時空本身,就來自於宇宙大爆炸、和其後的持續膨脹啊。”

“是……是這樣嗎。”

一語中的,方然的知識儲備讓他理解了費曼教授的思路,皺眉思考片刻,好像還真的是這樣。

宇宙,和理想情況下的孤立系統,區別究竟在哪,在於宇宙本身就蘊含着時空的概念:持續膨脹的宇宙,雖然與未可知的外界沒有任何物質、或能量的交換,本身佔據的空間卻越來越大,其行爲,也必然與尋常的孤立系統迥異。

一般意義上的孤立系統,定義上,着眼的是物質和能量。

至於體積上的改變,倒不是無法研究,而是萬變不離其宗,並不影響熱力學的結論。

譬如氣缸,其容積可以隨活塞的運動而變,進而導致整個系統的熵變化,當容積擴大時,從氣缸空間的總體上考慮,熵值的上限,顯然會因爲空間的增大而提高。

但這種變化,早晚會往復循環,一次次回到起點,容積持續擴張、趨勢永遠不變的氣缸是荒謬的。

但宇宙,卻恰恰就是如此。

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