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熱寂英语: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,宇宙的會隨著時間的流異而增加,由有序向無序,當宇宙達到最大值時,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。熱寂理論最早由威廉·湯姆森於1850年根據自然界機械能損失的熱力學原理推導出的。

发展历史编辑

熱寂理論起源於十九世紀物理學家對熱力學第一定律熱力學第二定律對宇宙進程的影響的研究,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)實驗做出了如下描述:「熱量並非一種物質,然而是機械作用的一種動態形式,我們認識到機械與熱量之間必須是相關的,就如同因與果」[1]隨後,熱寂理論又由赫爾曼·馮·亥姆霍茲威廉·兰金[2]加以發展。

 
熱寂理論的創立者威廉·湯姆森

理论不足编辑

热寂说单纯地考虑热力学第二定律,而没有考虑引力效应。引力系统是负比热容系统,不存在稳定的平衡态。[3]

熱寂時間表编辑

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。

退化時代:從1014年到1040编辑

星系和恆星停止產生:1014编辑

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(包括彗星隕石棕矮星)、白矮星黑矮星中子星奇異星黑洞能夠繼續存在。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,成為宇宙中为数不多的可見光源。

行星開始脫離軌道:1015编辑

隨著時間的流逝,由於引力波和引力擾動的影響,行星逐漸脫離它們的原始軌道。

恆星開始脫離軌道:1016编辑

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

可能的分歧之一编辑

第一個可能性是以某些大一統理論中,是以質子壽命極長但有限為前提推測的。

參見質子質子衰變條目。

一半質子完成衰變:1036编辑

根據某些理論認為質子會衰變,而半衰期(1036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輕子

全部質子完成衰變:1040编辑

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兩種形式存在:黑洞或是輕子

黑洞時代:從1040年到1古高爾年—10100编辑

黑洞佔主導地位:1040编辑

黑洞繼續通過霍金輻射的形式緩慢的蒸發

黑洞崩潰:1古高爾年—10100编辑

除了少量黑洞以外,絕大部分的黑洞都已蒸發完畢。現在,所有組成恆星和星系的物質都衰變為光子輕子

宇宙的終極命運编辑

黑暗時代:從1古高爾年—10100年到1.5古高爾年—10150编辑

最後的黑洞蒸發完畢:1.5古高爾年—10150

所有殘餘的黑洞都已完全蒸發:首先是低質量的黑洞,最後是超大質量黑洞,現在宇宙中所有的物質都已衰變為光子輕子

光子時代:1.5古高爾年—10150年到10100056编辑

宇宙達到最低能量狀態:10古高爾年—101000年到10100056

現在,宇宙已經進入低能狀態,目前尚不清楚在這之後會發生什麼。一種假設是宇宙很可能會永遠停留在這種狀態,進入真正意義上的熱寂狀態。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。

 

可能分歧之二编辑

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,自發值減少最終會通過龐加萊定理熱漲落漲落定理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10100076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

全部物質變為鐵:15古高爾年—101500年到10100056编辑

假如宇宙是平面的(即Ω=1),在15古高爾年—101500年到10100056年(一千萬五千六百億億億億億億億億億億億年),量子穿梭效應所導致的核聚變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。[4]

量子穿隧效應至量子漲落:10100056年到以後编辑

另一個宇宙可以是通過隨機的量子穿隧效應量子漲落粗略地創建的10100056年(一千萬五千六百億億億億億億億億億億億年)到10100076年(一千萬五千六百億億億億億億億億億億億年)在很長一段時間內,自發減少最終會通過龐加萊定理熱漲落漲落定理

鐵星坍縮成中子星:10100076年到以後编辑

10100076年(一千萬五千六百億億億億億億億億億億億年)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10100076年(一千萬五千六百億億億億億億億億億億億年)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

可能分歧之三编辑

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25古高爾年—102500年便會崩潰而不適合維持生物的存活。

宇宙加速膨脹编辑

宇宙加速膨脹使星系間距離擴大。1010年內,除了一些有引力聯繫的星系,其它星系都會因为離開可觀測宇宙外而變成不可見。

宇宙的終極命運编辑

因為發光體不存在,只有高質量的暗物质,除人為光源外完全黑暗。

但此情形下很難一直持續下去,到25古高爾年—102500年,比上一種模型更可能因為零点能作用產生大撕裂英语:Big Rip),甚至產生新的宇宙大爆炸

参考文献编辑

  1. ^ Thomson, William.(1951). "On the Dynamical Theory of Heat, 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]
  2. ^ Physics Timeline 互联网档案馆存檔,存档日期2007-06-09.(Helmholtz and Heat Death, 1854)
  3. ^ 程龙。热力学观点下的引力理论及其相关研究[D].南昌:南昌大学理学院物理系,2012.
  4. ^ 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.