關于地球溫度的疑惑

摘要：日常經驗告訴我們，熱量總是由高溫物體向低溫物體傳遞，自然過程因而有某種不可逆性，不平衡狀態，可以自動地趨向平衡態，而平衡態不能自動地轉化為非平衡態。但宇宙中也有能量的重新集結過程。

關健詞：熵；熱寂說；超新星

中圖分類號：B082 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315(2008)06-106-01

如果一個人提出下面的疑問：“熱量總是由高溫物體向低溫物體傳遞，那么很長時間以后地球會不會變成一個恒溫的物體？”首先明確地告訴大家地球絕不會變成一個恒溫的物體。為什么呢? 這要從一個叫做‘熵‘的概念說起。

一、熵是表示過程方向性的物理量

1854年克勞修斯從分析卡諾熱機開始，假設熱經歷兩種變換：一種是熱從高溫物體傳到低溫物體的傳送；另一種是熱轉化為功的轉化。克勞修斯指出，每種變換有兩種方向：一種是自然方向，這種變換能自發地進行；另一種在非自然方向上，沒有外界影響下不可能進行。對于傳送變換來說，熱由高溫物體傳到低溫物體是它的自然方向；而由低溫物體傳到高溫物體是它的非自然方向。克勞修斯假設對于任意變換的等效值正比于熱量Q和某個溫度函數，并令在一個可逆循環中，兩個等效值的和為零。在這些條件下得出如下結論 ：如果物體從任意一個初態開始，連續地經過任意的一系列狀態又回到初態時，總等于零，那么積分號里的表示式 dQ/T則是一個量的全微分，它只與物體當時狀態有關，而與到達這個狀態的途徑無關。如果用S表示這個量，克勞修斯建議稱量S為熵。

在1865年，克勞修斯還證明了孤立系統的熵不會減少。比如從高溫物體(溫度為T2)向低溫物體(溫度為T1) 傳送熱量⊿Ｑ， 而顯然⊿Ｑ/T1>⊿Ｑ/T2，一個系統的熵總是沿著熵增加的方向進行，這就是熵增加原理。孤立系統里的每一種平衡必定對應于熵的極大值。熵增加原理揭示出自然過程的不可逆性。不平衡狀態可以自動地趨向平衡態，而平衡態卻不能自動地轉化為非平衡態。

二、熱寂說的起源

最早提出熱寂說的物理學家是湯姆孫。他在一篇論文中寫道：“熱力學第二定律孕含著某種不可逆原理，這個原理表明雖然機械能不可滅，卻會有一種普遍的耗散趨向，如果宇宙有限并服從現有的定律，那么結果將不可避免地出現宇宙靜止和死亡狀態。”“熱寂說”是熱力學第二定律的宇宙學推論，這一推論是否正確，引起了科學界和哲學界一百多年持續不斷的爭論。

首先對“熱寂說”提出質疑的是麥克斯韋。他設計了一個假想的存在物--“麥克斯韋妖”，麥克斯韋妖有極高的智能。“在一個溫度均勻的充滿空氣的容器里的分子，其運動速度不均勻，然而任意選取的任何大量分子的平均速度是均勻的。我們假定把這樣一個容器分為兩部分，A和B，在分界上有一個小孔，再設想一個能見到單個分子的存在物，打開或關閉那個小孔，使得只有快分子從A跑向B，而慢分子從B跑向A。這樣，它就在不消耗功的情況下，B的溫度提高，A的溫度降低，而與熱力學第二定律發生了矛盾”。麥克斯韋由此提出應當對熱力學第二定律的應用范圍加以限制。

三、對熱寂說的解釋

克勞修斯指出熵增加原理適用于一個孤立的絕熱系統，而熵只包含了“熱含量”和熱離散度，并未考慮當時已知的熱輻射和由“以太”傳播的熱量等，不能把以地球上的實驗為根據建立的原理推廣到整個宇宙，散射到太空中的熱能有重新集結的可能。在萬有引力作用下，當恒星物質向中心激烈坍縮時，釋放出的引力勢能可以達到使整個恒星爆炸開來，這種現象稱為超新星爆炸。距今最近的一次是1987年在南天區大麥哲侖星云處觀測到的一次超新星爆炸。2月23—24日的24小時內，超新星增亮了2000倍，一躍成為大麥哲侖星云中最亮的天體。

由此看來，在宇宙中不僅有能量的分散過程，也有能量的重新集結過程。熱寂說是以宇宙整體正在從非平衡趨于平衡的結論為前提的。然而近代宇宙論的觀測和研究表明，宇宙正在膨脹，它不是趨于平衡，而是越來越趨于不平衡。熱力學第二定律在此條件下不成立，當然由此導出的熱寂說也不成立，這樣地球也永遠不會變成一個恒溫的物體。

參考文獻：

[1]申先甲等編著，《物理學史簡編》，濟南，山東教育出版社，1985

[2][美]威·弗·馬吉編，蔡賓牟譯，《物理學原著選讀》，北京商務印書館，1986

[3]恩格斯著，曹葆華、于光遠、謝寧等譯，《自然辯證法》，人民出版社，1960