熵量守恆定律

1850年，德國物理學家克勞修斯提出了熵的概念。熵就是溫比熱量，是熱量的變化除以絕對溫度所得的商，也就是熱力學系統平衡態的狀態函式。熵量則是無序程度的量度。在宇宙系統中，除了質量、能量外，還有一種叫做熵量的物理量。在宇宙中，不但質量是守恆的，能量是守恆的，而且，總的熵量也是守恆的。

熵量守恆定律

在宇宙系統中，除了質量、能量外，還有一種叫做熵量的物理量。在宇宙中，不但質量是守恆的，能量是守恆的，而且，總的熵量也是守恆的。

科學論證

熵量守恆定律

1、黑洞 1783年，英國牧師、天文愛好者米切爾根據牛頓的引力理論，提出了黑洞的思想。當時稱之為暗星。1798年，法國數學家、物理學家和天文學家拉普拉斯認為，如果一顆發光星球的密度和體積足夠大，由於星球的引力，它的光線將不能到達我們這裡。因此，宇宙間這類最大的星球可能是看不見的。這種看不見的星球，已經含有暗黑空洞的意思。這種星球，人們稱之為拉普拉斯暗星。現代物理學認為，質量超過3.2太陽質量的天體，在耗盡核燃料後，將沒有任何力能夠抗衡其引力的作用。這裡的3.2太陽質量稱之為奧本海默極限。在這樣的情況下去，這種天體將在其引力的作用下，繼續坍縮下，演變成看不見的天體。這是一種特殊的天體，具有獨特的特性。通常認為，一切物質、包括光子，只要一進入這種天體，它們將再也無法從中逃逸出來。正因為這種獨特的天體具有這種奇異的性質，1969年，美國物理學家惠勒將其稱之為黑洞。黑洞存在著視界，在施瓦西度規中，其視界半徑為小於等於2GM/（c的平方）。對於這種獨特的天體，除了質量、角動量和電荷外，再也無法從視界內獲得任何其他的信息。對於這一表述，人們將其稱之為黑洞三毛定則。從德國物理學家愛因斯坦的廣義相對論和黑洞理論出發，將會得出，黑洞中的物質將不斷坍縮，以至於所有物質都將坍縮到r=0的奇點處。在奇點處，時間和空間將會到達它們的盡頭，物質密度將會達到無限大，物質溫度也將達到極高的程度，星體的引力坍縮也就到此而終止。從物理要求來說，奇點並不是物理世界本身應該具有的。它的出現表明，廣義相對論尚有不完善的地方。在奇點處，也許正是廣義相對論失效的地方。

黑洞中的奇點-內部結構模型圖

2、白洞 人們發現，在宇宙中也存在這樣一些天體，這些天體體積不大，卻亮得驚人。物理學家們認為，在這種天體的中心，存在著一種更為神奇的洞，他們將其稱之為白洞。物理學家發現，白洞也有一個封閉的邊界。與黑洞相反，白洞內的物質和輻射只能向外運動，而不允許物質和輻射進入它的內部。看上去，白洞中存在著一個向外噴射物質和能量的源頭，因此，白洞又得到宇宙中的噴射源這樣一個名稱。在白洞的中心，是一個聚集著物質的緻密物質團，這是由各種基本粒子所組成的。當這個緻密物質團處於膨脹過程中時，各種基本粒子就會輻射出去。這些輻射粒子具有很高的。當其與周圍的物質發生碰撞時，由於其異常劇烈，在此過程中，將會釋放出巨大的能量。有的物理學家認為，白洞是從黑洞轉變過來的，白洞釋放的大量物質和能量，正是在黑洞形成時獲得的。我們知道，黑洞的形成是一種在引力作用下發生坍縮的過程。然而，白洞發生的過程正好與黑洞形成的過程相反，是一種反坍縮的過程。在這種過程中，白洞要發生猛烈的爆發。現在，白洞已越來越受到物理學家們的注意。
3、大爆炸 在20世紀30年代，天文觀測發現，宇宙在膨脹。於是，天文學家們推測，由此往回推，在過去的某一

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時刻，宇宙物質將聚集在一起，其密度將趨於無限大。1932年，比利時天主教牧師、天文學家勒梅特首先提出，現在觀測到的宇宙，是由一個處於極端壓縮、極端高溫狀態的原始原子的大爆炸產生的。從1948年到1956年，蘇聯天體物理學家伽莫夫先後發表了《宇宙的深化》、《膨脹宇宙的物理學》等論文。其後，伽莫夫還與其學生、後成為美國物理學家的阿爾弗等人一起，發表了《化學元素的起源》的論文。以上論文對勒梅特的思想作了進一步的發揮，並對早期元素的合成進行了探討。伽莫夫提出，宇宙起始於高密、高溫狀態的原始火球。在原始火球里，物質以基本粒子的形態出現。在基本粒子的相互作用下，原始火球發生了爆炸，並向四面八方均勻地膨脹。伽莫夫還預言，在現今宇宙中，應有大爆炸殘留下來的背景輻射。阿爾弗和赫曼進一步指出，早期遺留下來的背景輻射，現在已經十分微弱，只有溫度為幾個開的黑體輻射了。1965年，2.74K宇宙背景微波輻射的發現，證實了伽莫夫等人的預言。從此，大爆炸宇宙模型受到了越來越多的人的重視。大爆炸宇宙模型又稱標準宇宙模型。現在，大多數宇宙學家都贊同大爆炸宇宙模型的觀點。大爆炸過程，實際上就是一個白洞的過程。
4、對稱性原理 人們認識到，物理學中存在的守恆定律，如動量守恆定律、角動量守恆定律、能量守恆定律等。這裡邊些守恆定律都與對稱性有著密切的關係。可以看出，物理學中任何種類的守恆定律，都存在著某種對稱性。反之，物理學中的任何一種對稱性，也必然導致一種守恆定律。其實，所謂對稱性，是指物理規律在某種變換下的不變性。例如，與動量守恆定律相對應的對稱性，是空間的平移不變性；與角動量守恆定律相對應的對稱性，是空間的轉動不變性；與能量守恆定律相對應的對稱性，是時間的平移不變性等。1924年，拉波特提出了宇稱的概念。所謂宇稱，就是左右對稱性，即當空間坐標左右變換時，經典的物理規律具有不變性。左右對稱性用符號P表示。1927年，維格納在套用宇稱概念研究原子現象時證明，在原子現象中，宇稱守恆，此即宇稱守恆定律。由於宇稱守恆定律經受了大量實驗事實的檢驗，因此，人們對這一定律深信不疑，認為左右對稱是自然界的固有定律之一。20世紀40年代以來，特別是在50年代，人們發現，宇稱守恆定律在弱相互作用下不守恆。其後，人們又發現，電荷共軛對稱性即用反粒子替換粒子不守恆。電荷共軛對稱性用符號C表示。同時，人們又發現，時間反演對稱性即物理過程時序逆轉也不守恆。時間反演對稱性用符號T表示。但是，人們發現，宇稱、時間反演和電荷共軛的共同變換，其CPT過程總是守恆的。以上不對稱問題是在微觀過程中，主要是在弱相互作用過程中出現的情況。並且，這種不對稱性的效應是十分微弱的。總的說，在巨觀領域中，物理過程是守恆的。在巨觀物理過程中，是具有空間反射鏡像的左右對稱性的，即宇稱是守恆的。

熵量守恆定律

5、能量守恆定律 十七世紀，法國哲學家笛卡兒從哲學上提出了能量守恆和轉化定律的基本思想。1644年，笛卡兒撰寫了《哲學原理》一書。該書寫道，“物質的運動有一個固定量。雖然在物質的某些部分中有時候會有所增減，但物質的這個固定量卻是從來不增加也不減少的。”在這裡，笛卡兒從機械運動的角度，說明了能量的守恆。1842年，德國醫生邁爾發表了《論無機自然界的力》一文。其後，邁爾又發表了《與新陳代謝聯繫著的有機運動》一文。邁爾在《論無機自然界的力》一文中指出，力是在量上不可毀滅而在質上可以轉化的實體，並推算了熱的機械當量。邁爾最早表述了能量守恆和轉化這一普遍的自然規律，並給出了熱功當量，發現了能量守恆定律。邁爾發現能量守恆定律以後，英國業餘科學家焦耳用各種方法進行測定不同運動形態之間相互轉化時當量關係的工作，於1843年發表了第一個熱功轉化的實驗結果。此後，焦耳用了近30年的時間、幾乎以他畢生的精力，反覆不斷地進行實驗，取得了較為準確的實驗結果。焦耳的工作對於進一步確立能量守恆定律，具有重大的作用。1947年，德國物理學家赫爾姆霍茲運用數學方法，證明了能量守恆定律在力、熱、電、磁和天文現象中的普適性，並以專業的科學術語，對能量守恆定律進行了新的解釋。其後，物理學家普遍相信，自然界中的一切物質都具有能量，能量有各種不同的形式，它能由一個系統傳遞給另一個系統，從一種形式轉化為另一種形式，在傳遞和轉化過程中，總的能量保持不變。此後，能量守恆定律得到了科學界的公認。能量守恆定律是自然界中最重要的普遍定律之一。能量守恆定律可表述為，在任何與周圍隔絕的孤立的物質系統中，不論發生什麼運動和變化，能量的形態可以發生轉化，但總的保持恆定不變。對於非孤立的系統，可以與外界發生能量的交換，它的能量會有所改變，但它增加或減少的能量值，一定等於外界減少或增加的能量值。因此，從整體看，能量的總和仍然是不變的。能量守恆定律表明，物質的運動是不能創生或者消滅的，能量是物質運動的量度，它只能在各部分物質之間進行傳遞，或者從一種形態轉化為另一種形態，也是不能創生或者消滅的。3熵量守恆定律的論證、科學價值和哲學上的意義自從1842年德國醫生邁爾發現能量守恆定律以後，經過長期的實驗檢驗，充分證明，這條定律是自然界的基本定律，是完全正確的。
6、熵量 1950年，德國物理學家克勞修斯提出了熵的概念。熵就是溫比熱量，是熱量的變化除以絕對溫度所得的商，也就是熱力學系統平衡態的狀態函式。熵量則是無序程度的量度。
7、熵量增加原理 克勞修斯提出熵的概念後，進而發現了熱力學第二定律，亦稱熵量增加原理：dS大於等於dQ/

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dT。其中dS為初態和終態均為平衡態的某過程的熵變，dQ為在此過程中熱量的變化，T為溫度，不等號表示不可逆過程，等號表示可逆過程。上式中的dQ=-cdT，亦即系統中熱量的變化。其中c為熱容量，符號-表示系統具有負的熱容量。事實上，對於某個熱力過程，不管初態、終態是否平衡，該式都成立。對於孤立系統，有：ΔS大於0。
可以看出，以上兩式是在無約束的條件下得出的。在這種系統中，各物體是排斥性的，是一種熱力擴散性的結構。
8、熵減原理 2001年，本人發現，在自然約束的引力系統中，粒子的動能小於勢能，即E小於等於（1/2）V，其中E為粒子的動能，V為引力勢能，V=-GMm/r，G為萬有引力常數，M為場源的質量，m為引力場中某粒子的質量，r為粒子到場源中心的距離。上式表明，在約束性的系統中，系統的總能量為負。同時，我們看到，在引力場中，粒子的運動類似於某中的熱運動。因此，可以用熱力學的方法來研究這種運動。現在，用上式代換熱力學第二定律、亦即熵量增加原理中的熱量dQ，代換後的能量（1/2）V的含義與熱量dQ的含義相類似。由此，我們得出，在自然約束系統中，存在熵量減少的現象，並進而發現了熵量減少原理，亦即引力約束系統的熱力學定律：dS小於等於（1/2）V/T小於等於0。
9、熵量守恆定律 宇宙中的白洞過程，是熵量增加的過程。20世紀上半葉，多位數學家和物理學家提出了大爆炸和熱膨脹的模型。在大爆炸和熱膨脹的過程中，某宇宙系統的半徑從約等於0增大到最大，溫度從最大下降到最小。我們將處在這一過程中的宇宙系統劃分為充分小的各個小系統，通過積分，有，熵量S大於0。這是一個熵量增加的過程。對於黑洞過程來說，則是熵量減少的過程。假設某宇宙系統在熱力作用下,經過某個膨脹過程以後,停止膨脹,速度為零,溫度下降到最小。這時，在引力的作用下，某宇宙系統開始收縮，並最後坍縮成黑洞。在收縮過程中，引力占優勢，勢能絕對值|V|大於動能K，Q為負值，熵為負。顯然，在這一過程中，其半徑減小，從最大減到約等於0，，溫度從最小逐漸上升，在坍縮成黑洞時，溫度達到最大。這是一個熱化的過程。現在，也將該宇宙系統劃分為充分小的各個小系統，通過積分，有，熵量S小於0。熱力學第二定律指出，對於可逆過程，其積分可沿任一路徑進行，在沿可逆過程對溫比熱量的變化進行積分時，其積分與路徑無關，即積分結果為一常量。在某些特殊的情況下，個別白洞、黑洞過程可以構成循環系統。這種特殊情況，就是這樣的可逆過程。對於這種可逆過程，從以上可得：S=0。從以上可見，白洞具有的是正的能量，黑洞具有的是負的能量。在白洞、黑洞構成過程的系統中，總的能量變化為0，也就是說，能量是守恆的。

同時，從此式可見，總的熵量變化也為0，也就是說，熵量也是守恆的。在宇宙中，除了某些白洞—黑洞過程構成循環系統的特殊情況外，在一般情況下，大多數白洞、黑洞過程是錯開的，並不構成循環系統。假定在宇宙中有m個天體處於白洞狀態，有n個天體處於黑洞狀態。在宇宙中，在總體上，白洞、黑洞總是相繼發生的。在一般情況下，對於兩相鄰的白洞、黑洞來說，白洞的正能量和黑洞的負能量並不一定是相等的。但是，根據對稱性原理，在總體上，宇宙中的白洞、黑洞是對稱的，白洞的正能量和黑洞的負能量總是相互抵消的。在這種情況下，可以

熵量守恆定律

令m=n，從而有：S=0。從以上可見，在局部區域，兩相鄰的白洞、黑洞並不一定兩兩構成循環過程，但在總體上，白洞、黑洞是兩兩對應的，因此，在整個宇宙系統中，能量是守恆的，熵量也是守恆的。這就是宇宙系統的熵量守恆定律。從上面可以看出，不但在白洞、黑洞構成循環系統的特殊情況下，熵量是守恆的，而且在宇宙系統中相鄰的白洞、黑洞並不兩兩構成循環過程的一般情況下，宇宙中的熵量也是守恆的。能量守恆定律經過無數實驗的檢驗，證明是正確的。熵量守恆定律是從能量守恆定律推導出來的。因此，同質量守恆定律和能量守恆定律一樣，熵量守恆定律也是正確的，熵量守恆定律也是宇宙中的一條基本定律。英國物理學家霍金指出，宇宙中的物質具有正能量，但物質彼此以引力相吸引，而引力具有負能量。在近似均勻的宇宙空間中，負的引力場正好抵消物質所代表的正能量，因此，宇宙的總能量為零。我們發現，熵量和能量有著密切的關係，從而得出，在非均勻的宇宙空間中，在物質較少的區域，物質所代表的正能量將大於場源所產生的負能量，因此，總的能量為正，這是擴散性熱力系統熵量增加的原因。在物質較多的區域，場源產生的引力場的負能量將大於物質所具有的正能量，因此，總的能量為負，這是約束性引力系統中熵量減少的原因。同時，可以進一步預計，從整體看，約束性的引力系統中物質運動的負能量，將抵消擴散性的熱力系統中物質運動的正能量，因而，約束性的引力系統熵量的減少，將抵消擴散性熱力系統熵量的增加。就整體而言，引力約束系統的熵量減少原理和熱力擴散系統的熵量增加原理，是互補的。也就是說，將以上的熵量減少原理與R.克勞修斯的熵量增加原理結合起來，可以得出，宇宙總的熵量為零，宇宙中的熵量是守恆的。這就是熵量守恆定律。按照熵量守恆定律，宇宙是熵增和熵減交替的過程，或者說，是熱寂和熱化交替的過程。這兩個過程的交替運行，將使宇宙永遠處於充滿活力和生機的狀態。

起伏式宇宙模型

根據熵量守恆定律，我們可以推測到，在宇宙系統中，某一區域或某幾個區域有黑洞在爆炸。這種爆炸，產生了使某個或某幾個區域發生膨脹。也就是說，黑洞塌縮到一定程度，將逆向轉變為白洞。同時，在宇宙的另一區域或另幾個區域，也必定會有黑洞在形成。也就是說，白洞膨脹到一定程度，也將逆向收縮轉變為黑洞。因此，在

熵量守恆定律

整個宇宙中，黑洞、白洞是交錯發生，此起彼伏，此伏彼起的。這就是起伏式的宇宙模型。這個模型描述了，整個宇宙就象一個大石榴，其中的每個小宇宙就象大石榴中的一個個小顆粒。正象每個小顆粒組成了整個石榴一樣，一個個的小宇宙構成了整個的大宇宙。我們生活在其中的這個宇宙，就是整個宇宙中的一個小宇宙。
起伏式宇宙模型提出了四大宇宙學定律。
1、宇宙學第一定律——白洞—黑洞過程對稱定律，即白洞和黑洞是對稱的，白洞是黑洞的反過程。
2、宇宙學第二定律——白洞—黑洞質量相等定律，即在總體上，宇宙中各部分生成的黑洞和產生的白洞，在質量上是相等的。
3、宇宙學第三定律——宇宙物質密度守恆定律，即在總體上，宇宙物質密度在空間上是均一的，各向同性的，在時間上也是均一的。
4、宇宙學第四定律——宇宙總的質量—能量為零定律，即在總體上，宇宙總的質量為零，能量為零，熵量也為零。也就是說，在表觀上，宇宙總的效果為零。

科學價值和哲學意義

1、熱寂說。根據熵增原理或執力學第二定律，克勞修斯認為，在一切自然現象中，各種系統都不斷地趨向於平衡，趨向於無序，趨向於對稱。熵的總量只能永遠增加而不能減少。因此，按照熵量增加原理，宇宙的熵量趨於極大。宇宙越是接近於這個極限狀態，那就任何進一步的變化都不會發生了，這時的宇宙將會進入一個永恆的死寂狀態。這就是所謂的熱寂說。克勞修斯的熱寂說，是在熱力擴散性的有限系統中建立的熵量增加原理，任意擴大其使用範圍，外推到整個宇宙系統的結果。

熵量守恆定律

2、熱化說。本人認為，熵量減少原理是一個與熵量增加原理相對應的原理。這個熵量減少原理或引力約束系統熱力學定律同克勞修斯的熵增原理或熱力學第二定律並不矛盾。因為前者反映的是自然約束的引力系統的情況，後者反映的是熱力擴散的孤立系統的情況。兩者在不同的領域裡，各自反映了本領域事物發展的客觀規律。按照熵量減少原理，自然約束系統不斷地趨向於不平衡，趨向於有序，趨向於不對稱。熵量減少原理指出，在一切引力約束系統中，熵的總量只能減少，而不能增加。進而得出，宇宙引力系統的熵量趨於極小。宇宙越接近於這個極限狀態，就越不穩定。在這樣的系統中，溫度越來越高。這就是所謂的熱化說。

3、熵量守恆定律的科學價值。其一，克勞修斯由熵量增加原理得出的所謂的熱寂說，是在無約束的熱力擴散系統中得出的結論。其二，和克勞修斯在熱力擴散系統得出的熵量增加原理不同，在宇宙中，還存在引力約束系統的熵量減少原理。正是這一熵量減少原理，與R.克勞修斯的熵量增加原理一起，描繪了宇宙是一個和諧整體的美妙圖景。其三，熵量減少原理和熵量守恆定律宣告了克勞修斯熵量增加原理導致的宇宙趨向死寂結論的破滅。其四，從熵量守恆定律必然得出，宇宙中的熱力擴散過程和引力約束過程是互為作用和互為轉化的，宇宙是處於不斷的運動和變化之中的。

4、熵量守恆定律的哲學意義。從1950年德國物理學家克勞修斯提出熵的概念和熵量增加原理以後，世界上許多學者紛紛採用熵來描述宇宙的形成和發展。本人經過分析認為，在宇宙系統中，質量是守恆的，能量是守恆的，熵量也是守恆的。正因為熵量是守恆的，宇宙才會有新的和星系等系統的形成，才會到處充滿著生機和活力。因此，宇宙是永遠不會死寂的。

質量是運動物質的表現形態，能量是物質運動的表現形態。根據熵量守恆定律，宇宙總的質量和能量在表觀上總的效果為零，並不意味著物質和運動消失了。實際上，物質不會消失，運動也不會停止。由於時空和各種量子的漲落，將會表現出各種量子的效應和能量的起伏。因此，不論在時間上，還是在空間上，整個宇宙永遠是生生息息，生機勃勃，起起伏伏，永無休止的，是處於永無止境的運動和變化之中的。