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熱寂

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熱寂（英語：heat death of the universe）是猜想宇宙終極命運的一種假說。根據熱力學第二定律，作為一個「孤立」的系統，宇宙的熵會隨著時間的流逝而增加，由有序向無序，當宇宙的熵達到最大值時，宇宙中的其他有效能量已經全數轉化為熱能，所有物質溫度達到熱平衡。這種狀態稱為熱寂。這樣的宇宙中再也沒有任何可以維持運動或是生命的能量存在。熱寂宇宙的理論最早由威廉·湯姆森於1850年根據自然界中機械能損失的熱力學原理推導出的。[1][2]

發展歷史

熱寂理論起源於19世紀物理學家對熱力學第一定律和熱力學第二定律對宇宙進程的影響和研究，特別是威廉·湯姆森在1851年對當時的一個動態熱力學理論（Theory of Heat）實驗作出了如下描述：「熱量並非一種物質，然而是機械作用的一種動態形式，我們認識到機械功與熱量之間必須是相關的，就如同因與果」。開爾文勳爵在1852年將這一理論外推到宇宙學尺度，並補充說整個宇宙將達到「永恆的靜止和不可動搖的靜止」狀態。1862年，開爾文想知道是否有可能逆轉死亡過程並實現「復興宇宙」。[2][3]赫爾曼·馮·亥姆霍茲和威廉·蘭金1854年發展開爾文理論，認為熱寂將是「所有物理事件的終結」。[4][5]

熱寂理論的創立者威廉·湯姆森

熱寂時間表

參見：宇宙的終極命運

由於宇宙熱寂說僅僅是一種可能的猜想，並沒有任何事實證據支持該學說的正確性，所以以下內容僅為在假設該學說成立基礎下的假說。

對數尺度

簡併紀元：從10^10年到10^40年

宇宙加速膨脹：10^10年

宇宙加速膨脹將使星系間的距離擴大。在10^10年之內，除了一些有引力聯繫的星系，其它星系都會因為離開可觀測宇宙外而變成不可見（以銀河系為例：此時宇宙膨脹將導致以地球所處在的位置為參照系的整個可觀測宇宙範圍之內僅存在「銀河－仙女座星系」這一個星系可見，其他星系則會彼此退出各自的宇宙視界）。

星系和恆星停止產生：10^14年

在這段時間裡，星系和恆星的形成逐漸減緩並完全停止，至於那些仍然存在的恆星，由於自身核燃料的逐漸枯竭，恆星的溫度和光度逐漸下降，直到核燃料完全耗盡，恆星死亡為止。當宇宙中所有的恆星都熄滅之後，只有行星、小行星（包括彗星、隕石和棕矮星）、白矮星、黑矮星、中子星、奇異星和黑洞能夠繼續存在。偶爾，棕矮星之間的相互撞擊會形成新的紅矮星。這些紅矮星會在宇宙中繼續存在數十億年，成為宇宙中為數不多的可見光源。

行星開始脫離軌道：10^15年

由於引力波和引力擾動的影響，10^15年後，行星逐漸脫離它們的原始軌道。

恆星開始脫離軌道：10^16年

同樣是因為引力波和引力擾動的影響，星系中的恆星和恆星殘骸也開始離開它們的原始軌道，只留下分散的恆星殘骸以及超大質量黑洞。

質子衰變：10^36年至10^40年

參見：質子和質子衰變

第一個可能性是以某些大一統理論中，質子壽命極長但有限為前提推測的。

一半質子完成衰變：10^36年

根據某些理論認為質子會衰變，而半衰期（10^36年）的估計是正確的話，屆時，宇宙中大約一半的物質已經通過質子衰變形式轉化為伽馬射線和輕子。

全部質子完成衰變：10^40年

這時，所有的質子都已完成衰變。事實上在這種情況下，宇宙中所有的物質只能在兩種形式存在：黑洞或是輕子。

黑洞紀元：從10^40年到10^100年

黑洞佔主導地位：10^40年

黑洞將繼續以霍金輻射的形式緩慢蒸發，直至最終因質量流失而蒸發殆盡。

黑洞崩潰：10^100年

最後的黑洞預計將在10^100年（即1古戈爾年）至10^150年內蒸發完畢，而在此之前其他所有殘餘的黑洞均已蒸發殆盡。與恆星不同，黑洞的壽命與其質量成正比，即質量越大的黑洞壽命越長。因此首先將被蒸發的是低質量黑洞，然後是超大質量黑洞，最終被蒸發的黑洞將是宇宙有史以來最大的黑洞，同時也將是宇宙最後的宏觀尺度天體，屆時宇宙中的所有物質均將衰變為光子和輕子。

黑暗紀元：10^100年-

在全宇宙最後一個黑洞也因為霍金輻射蒸發消失之後，宇宙將進入黑暗紀元（Dark Era），此時的宇宙中已沒有任何宏觀尺度的天體存在，只剩下質子衰變之後的輕子和光子等能量極低的亞原子粒子，並且幾乎不進行能量交換，也不會發生什麼有意義的事件。如果時間還有意義的話，這個紀元將會延續到無窮。

光子時代：10^150年到10^1000年

光子時代中，宇宙內的所有物質均已衰變為光子和輕子。宇宙的熵將在此後繼續增大並最終達到熱寂狀態，溫度也將無限趨於絕對零度。

宇宙達到最低能量狀態（熱寂）：10^1000年

現在，整個宇宙已進入最低能量狀態，全宇宙熱平衡，宇宙的熵值將達到最大。宇宙已死，或者說，連死亡都已經消逝。目前尚不清楚在這之後會發生什麼，一種假設是宇宙可能會永遠停留在這種狀態，進入真正意義上的熱寂狀態。這意味著量子事件將會取代其他的微觀活動成為宇宙的主宰。

分歧

分歧之一

假如宇宙是平面的（即Ω=1）且沒有質子衰變；則隨著量子穿隧效應加上長時間的機率，最終所有小於鐵的物質都會因此而發生核融合，最終變為鐵。（而鐵的結合能最小，因此熵值最大。）之後在很長一段時間內，會通過龐加萊始態復現定理、熱漲落和漲落定理，導致自發的熵值減少。量子穿隧效應也應該將大物體變成黑洞，根據所做的假設，這種情況發生的時間可以在10101026到10101076年間發生。量子穿隧效應也可能使鐵星在大約10101076年內坍縮成中子星。[6]

全部物質變為鐵：10^1500年到10^10^10^56年

假如宇宙是平面的（即Ω=1），在10^1500年到10^10^10^56年，量子穿隧效應所導致的核融合應使小於鐵物質融合成鐵-56，而自發裂變和核衰變也應使大於鐵的物質衰變成鐵。[6]

量子穿隧效應至量子漲落：10^10^10^56年到10^10^10^76年

有可能可以通過隨機的量子穿隧效應或量子漲落，在大約10^10^10^56年內創建另一個宇宙。[7]在很長一段時間內，會通過龐加萊始態復現定理、熱漲落和漲落定理，導致自發的熵值減少。

鐵星坍縮成中子星：10^10^10^76年到以後

10^10^10^76年到以後。量子穿隧效應也應該將大物體變成黑洞。根據所做的假設，這種情況發生的時間可以從10^10^10^76年到以後計算。量子穿隧效應也可能使鐵星在大約年內坍縮成中子星。

分歧之二

以較新的觀測所知宇宙常數，和以質子壽命無限為前提假設，有強大的暗能量不斷加速，這樣宇宙的整體熵極大，所以微觀物質很少改變，但長遠來說宏觀物體難以保持現狀。這仍然屬於熱寂的結論之一。這樣的宇宙的預期壽命遠較其他假設為短，估計約102500年便會崩潰而不適合維持生物的存活。

反對觀點

反論之一

路德維希·玻爾茲曼早在1872年就提出了「漲落說」對熱寂說予以反駁，即整個宇宙的熵若正好為最大值則在概率學上同樣為極低概率事件，因此整個宇宙的熵只是長期保持在一個比較大的狀態內按照一定的概率規律進行起伏的「漲落」變化，因此不會把所有能量都變為熱能。而且在這種情況下有時出現的「熵減現象」甚至能推動生命的產生與進化。[8]

反論之二

有觀點認為熱寂說單純地考慮熱力學第二定律，沒有考慮到引力效應，而引力系統是負比熱容系統，不存在穩定的平衡態。[9]

反論之三

在熱寂論中，因發光體不存在，只有高質量的暗物質，全宇宙將會永恆地處在完全黑暗的狀態之下。但有觀點認為此情形下可能很難會一直持續下去，到102500年，比上一種模型更可能因為零點能作用產生大撕裂，甚至產生新的宇宙大爆炸。

參考文獻

  1. ^ Laws of Thermodynamics （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Thompson and Clausius, Oxford University Press, 2015.
  2. ^ 2.0 2.1 Thomson, Sir William. On the Age of the Sun's Heat. Macmillan's Magazine. Vol. 5. 5 March 1862: 388–93 [2022-11-30]. （原始內容存檔於2022-02-05）. 
  3. ^ Thomson, William.（1951）. "On the Dynamical Theory of Heat （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam." Excerpts. [§§1-14 & §§99-100], Transactions of the Royal Society of Edinburgh, March, 1851; and Philosophical Magazine IV. 1852, [from Mathematical and Physical Papers, vol. i, art. XLVIII, pp. 174]
  4. ^ Physics Chronology. （原始內容存檔於22 May 2011）. 
  5. ^ Physics Timeline 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2007-06-09.（Helmholtz and Heat Death, 1854）
  6. ^ 6.0 6.1 Time without end: Physics and biology in an open universe, Freeman J. Dyson, Reviews of Modern Physics 51（1979）, pp. 447–460, doi:10.1103/RevModPhys.51.447.
  7. ^ Carroll, Sean M.; Chen, Jennifer. Spontaneous Inflation and Origin of the Arrow of Time. October 2004. arXiv:hep-th/0410270 可免費查閱. Bibcode：2004hep.th...10270C
  8. ^ Von dem c. M. Ludwig Boltzmann in Graz Sitzb. d. Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften,mathematich-naturwissen Cl. LXXVI, Abt II, 1877, pp. 373-435.
  9. ^ 程龍。熱力學觀點下的引力理論及其相關研究[D].南昌：南昌大學理學院物理系，2012.
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=热寂&oldid=82646264」