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热寂
所属类别 :其他
热寂理论(Heat death)是猜想宇宙终极命运的一种假说。根据热力学第二定律,作为一个"孤立"的系统,宇宙的熵会随着时间的流逝而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。热寂理论最早由威廉·汤姆森(William Thomson)于1850年根据自然界中机械能损失的热力学原理推导出的。
基本信息
中文名称
热寂
外文名称
The heat
出现年份
1850年
目录1发展历史
2热寂时间表
3理论
发展历史
热寂理论起源于十九世纪物理学家对热力学第一定律热力学第二定律对宇宙进程的影响的研究,特别是威廉·汤姆森在1851年对当时的一个动态热力学理论(theory of heat)实验做出了如下描述:"热量并非一种物质,然而是机械作用的一种动态形式,我们认识到机械功与热量之间必须是相关的,就如同因与果"随后,热寂理论又由赫尔曼·冯·亥姆霍兹和威廉·朗肯(William Rankine)加以发展。
热寂时间表
由于宇宙热寂说仅仅是一种可能的猜想,并没有任何事实证据支持该学说的正确性,所以以下内容仅为在假设该学说成立基础下的假说。
退化时代:从10^14年到10^40年
星系和恒星停止产生:10^14年在这段时间里,星系和恒星的形成逐渐减缓并完全停止,至于那些仍然存在的恒星,由于自身核燃料的逐渐枯竭,恒星的温度和光度逐渐下降,直到核燃料完全耗尽,恒星死亡为止。当宇宙中所有的恒星都熄灭之后,只有行星、小行星(包括彗星、陨石和棕矮星)、白矮星、黑矮星、中子星、奇异星和黑洞能够继续存在。偶尔,棕矮星之间的相互撞击会形成新的红矮星。这些红矮星会在宇宙中继续存在数十亿年,成为宇宙中唯一的可见光源。
行星开始脱离轨道:10^15年
随着时间的流逝,由于引力波和引力扰动的影响,行星逐渐脱离它们的原始轨道。
恒星开始脱离轨道:10^16年
同样是因为引力波和引力扰动的影响,星系中的恒星和恒星残骸也开始离开
黑洞
它们的原始轨道,只留下分散的恒星残骸以及超大质量黑洞。
可能的分歧之一
第一个可能性是以某些大一统理论中,是以质子寿命极长但有限为前提推测的。
参见质子和质子衰变条目
一半质子完成衰变:10^36年
根据某些理论认为质子会衰变,而半衰期(10^36年)的估计是正确的话,届时,宇宙中大约一半的物质已经通过质子衰变形式转化为伽马射线和轻子。
全部质子完成衰变:10^40年
这时,所有的质子都已完成衰变。事实上在这种情况下,宇宙中所有的物质只能两种形式存在:黑洞或是轻子。
黑洞时代:从10^40 年到10^100 年
黑洞占主导地位:10^40年
黑洞继续通过霍金辐射的形式缓慢的蒸发
黑洞崩溃:10^100年
除了少量黑洞以外,绝大部分的黑洞都已蒸发完毕。此时,所有组成恒星和星系的物质都衰变为光子和轻子
黑暗时代:从10^100年到10^150年
最后的黑洞蒸发完毕:10^150年
所有残余的黑洞都已完全蒸发:首先是低质量的黑洞,最后是超大质量黑洞,此时宇宙中所有的物质都已衰变为光子和轻子。
光子时代:10^150年以后
宇宙达到最低能量状态:10^1000年及以后
此时,宇宙已经进入低能状态,目前尚不清楚在这之后会发生什么。一种假设是宇宙很可能会永远停留在这种状态,进入真正意义上的热寂状态。无论如何,"低能"意味着量子事件将会取代其他的微观活动成为宇宙的主宰。
可能分歧之二
假如宇宙是平面的(即Ω=1)且没有质子衰变;则随着量子穿隧效应加上长时间的机率,最终所有小于铁的物质都会因此而发生核融合,最终变为铁。(而铁的结合能最小,因此熵值最大。)
全部物质变为铁:10^1500年以后
假如宇宙是平面的(即Ω=1),在10^1500年以后,量子穿梭效应所导致的核聚变应使小于铁物质融合成铁-56,而自发裂变和核衰变也应使大于铁的物质衰变成铁。
可能分歧之三
以较新的观测所知宇宙常数,和以质子寿命无限为前提假设,有强大的暗能量不断加速,这样宇宙的整体熵极大,所以微观物质很少改变,但长远来说宏观物体难以保持现状。这仍然属于热寂的结论之一。
宇宙加速膨胀
宇宙加速膨胀使星系间距离扩大。10^10年内,除了一些有引力联系的星系,都会离开可观测宇宙外,而变成不可见。
宇宙终极命运
因为发光体不存在,只有高质量的黑暗物质,除人为光源外完全黑暗。但此情形下很难一直持续下去,比上一种模型更可能因为零点能作用产生大撕裂(Big Rip),甚至产生新的宇宙大爆炸。
理论
过去,对于宇宙不热寂分别有涨落说和麦克斯韦妖说解释,
霍金与大爆炸理论
但这些解释都不能令人信服。目前流行的大爆炸理论也对热寂作出解释,但这理论仍然是崇尚热寂的,只不过换换说法而已,该理论认为:对于一个静态的体系(或宇宙中的局部空间)总是趋于平衡态,但宇宙是膨胀的(类似气体膨胀),宇宙根本不能达到平衡态,所以宇宙不会出现热寂。但是一些人认为大爆炸理论的上述解释是错误的,不论宇宙是膨胀、收缩或静态,宇宙都不会进入热寂。因为星体引力在引力方向存在温度坡度,可发生两种情形:
①、如果一个星系原是热均衡态,温度处处相等,在星体引力作用下,热量将向引力中心转移,使引力中心温度很高,而外围温度很低;
②、如果一个星体与周围已形成温度坡度,这温度坡度是由星体引力大小和星体物质的分子量决定的,当外界施给热量的影响时,引力将始终维持一定的温度坡度,即引力在一段高度内温度差是恒定的。虽然高温星体把热量辐射到太空中,是形成热寂的主要途径,但不论是气态、固态星体的引力应竭力维持一定的温度梯度,故都具有云集太空中热量的功能,实现了热量的回流,所以宇宙永远不会出现热寂。
关于热寂的问题又称为"热死论"。
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