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彭罗斯的宇宙轮回(4)

已有 4328 次阅读 2013-12-24 09:10 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

 

 

 

爱丁顿(Arthur Eddington)在百年前说过,理论违背麦克斯韦方程不要紧,也许是方程错了;违背实验也不要紧,实验家有时也做傻事。但如果违背了热力学第二定律,那就没戏了:

 

The secondlaw of thermodynamics holds, I think, the supreme position among the laws ofNature. If someone points out to you that your pet theory of the universe is indisagreement with Maxwell's equations - then so much the worse for Maxwell'sequations. If it is found to be contradicted by observation, well, theseexperimentalists do bungle things sometimes. But if your theory is found to beagainst the second law of thermodynamics I can give you no hope; there isnothing for it but to collapse in deepest humiliation.  (The Natureof the Physical World,1915

 

然而不幸的是,宇宙的演化似乎在与第二定律闹矛盾,第二定律刚提出就引出了“热寂”,于是唯物辩证法慷慨地答应把哲学的运动不灭原理借出来:“现代自然科学必须从哲学那里采纳运动不灭的原理;它没有这个原理就不能继续存在”。百多年过去了,自然科学好像“不必须”借那个原理也能继续存在。

 

“热寂”是一种没有运动和演化的终极热平衡状态,有趣的是,它不是宇宙的未来,倒像是宇宙的开始。我们现在看到的微波背景辐射(CMB)在大尺度上均匀且各项同性的,涨落在十万分之一。如果倒推到大爆炸,可以想象它也是各项同性的。CMB还满足Planck的黑体辐射曲线,这意味着它来自一个热平衡的状态“热平衡”意味着最大的相空间,因而有最大的熵——问题就来了:如果一开始就最大熵了,那将如何演化呢?起点应该是低熵的呀。

 

回到70年前,听听薛定谔老师的著名演讲,生命是什么?(What islife?):

 

Everyprocess, event, happening -- call it what you will; in a word, everything thatis going on in Nature means an increase of the entropy of the part of the worldwhere it is going on. Thus a living organism continually increases its entropy-- or, as you may say, produces positive entropy -- and thus tends to approachthe dangerous state of maximum entropy, which is of death. It can only keepaloof from it, i.e. alive, by continually drawing from its environment negativeentropy -- which is something very positive as we shall immediately see. Whatan organism feeds upon is negative entropy…

 

自组织的生命活动,恰好也发生在引力系统。不考虑引力时,自然朝着均匀态演化,所以均匀(热平衡)代表高熵态;但在引力出现时,自然朝着聚集的方向演化,均匀却是初始的低熵态。宇宙初始的均匀态,是引力自由度被约束的态,所以熵很低。Lee Smolin有一个比喻:我们有两个温度,一个是火热的物质和辐射的温度,一个是冰冷的引力的温度。换句话说,普通物质是高温向低温演化,而引力作用的结果是向高温演化。可以从太阳来看引力熵的特点:太阳对我们并不仅是简单地提供能量,而是提供低熵形式的能量。生命所依赖的是太阳比黑暗的天空热得多,来自太阳的光子(如黄光)比从地球返回天空的红外光子有着高得多的频率。因而,来自太阳的单个光子所携带的能量平均说来远大于返回天空的单个光子所携带的能量。于是,携带相同能量离开地球的光子多于来自太阳的光子。光子越多意味着自由度越多,从而相空间体积越大。那么,从地球返回太空的热辐射光子的熵,要大于从太阳获取的光子的熵。

根据CMB的数据估计大爆炸的相空间,可以发现它确实是很小的。彭老师的计算表明,初始的相空间与宇宙最后的黑洞(根据所有物质即重子数计算)的相空间相比,只有1010124分之一!

 

大爆炸奇点的特殊(各项同性且低熵),就在于它的引力自由度还没被激发出来,在数学形式上就表现为(也许因为量子引力的原因)Weyl曲率张量为零(或远小于Ricci曲率)。如果重新标度度规,那么Weyl曲率就等于正常状态下的曲率。经典的FLWR(四个人的名字缩写)宇宙,就是Weyl曲率等于零的例子,不过那个宇宙模型对称性太高,Weyl曲率是恒等于零的。WCH的意义在于,它对很多不那么对称的奇点也是成立的。这一点很有现实意义,毕竟真实的宇宙并不是理想对称和各项同性的。

 

以上的论证,隐含着三个“传统”原则:宇宙初态在非引力自由度上是高熵的,而在引力自由度上为零;在引力系统中,分散的均匀态是低熵的,而聚集的高密度态是高熵的;没有引力效应就不会有第二定律。彭老师20多年前在《皇帝的新脑》里就说过,The fact that [the] gas has been distributed remarkably uniformlythroughout space is what has given us the second law — in the detailed formthat this law has come to us — after the entropy-raising procedure ofgravitational clumping has become available. 宇宙的初始状态确实是一个低熵源……

 

 

 



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