提到“妖怪”,我们都知道,这都与民间传说有关,在现实中,是并没有“妖魔鬼怪”存在的,不过,对于不甘寂寞的科学家们来说,他们虽然信奉科学,但是却也有着“怪力乱神”的一面,比方说,在19世纪末,就有一名科学家创造出了一只假象中的妖怪——麦克斯韦妖。
麦克斯韦妖再现江湖
先看看什么是麦克斯韦妖,它是一种物理学中的假象妖,创造它的物理学家——詹姆斯·麦克斯韦,赋予了它非常强大的技能,在詹姆斯·麦克斯韦的设定中,麦克斯韦妖可以探测并且控制单个分子的运动,甚至它的出现,直接与宇宙的最终命运有关。
那么,信奉科学,从不相信迷信的物理学家,又是如何创造出麦克斯韦妖的呢?这需要从热力学第一定律开始说起。
19世纪50年代,一种涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律被提出,简单来说,热力学第一定律认为,热量是可以从一个物体传递到另一个物体上的,并且也可以与其它能量进行转换,同时,因为能量守恒定律,这也意味着,即使能量在不同的物体之间进行转换,但是,能量的总值却仍然是保持不变的。
当然,一个定律的提出,自然也意味着它需要经过不断地验证,才可以最终被承认,当然,事实也证明,热力学第一定律,是完全经得起时间考验的,这也让它很快就成为了被公认的科学定律。
当然,任何定律在提出后,即使被公认,但是仍然会存在着质疑和不足,这也与人类的认知和科学技术发展有关,于是,很快就有研究者提出,虽然热量可以从一个物体传递到另一个物体之上,不过,如果是低温物体和高温物体,那么,热量只能自发地从高温物体上传递到低温物体上,是无法自发从低温物体转移到高温物体上的。
在这个观点下,热力学第二定律也被提出,它还有一个别名,就是熵增加原理。看到这里,可能有朋友会好奇,什么是“熵”呢?
简单来说,熵也是热力学的概念之一,它是物理学上的一个度量,也是热力学中表征物质状态的参量之一。
不过,在热力学第二定律提出后,很多研究者也并不认同热力学第二定律,认为它的出现代表着一种“绝望”,它可能直接让我们所在的宇宙再也没有未来。
因此,很多研究者也是希望可以通过研究,来证明热力学第二定律的错误,麦克斯韦妖就是在这个过程中被提出来的,它的出现就是为了说明,热力学第二定律是存在错误的。
说起来,之所以麦克斯韦妖被提出,还与一个原因有关,因为从热力学第二定律的角度出发,事实上,既然说低温是无法自发向高温传递热量的,那么,这也意味着,整个宇宙中的热量也是如此。
在宇宙大爆炸发生后,宇宙的热量就开始从高温向低温传递,最终达到热量平衡,也就是宇宙中不再存在着温差,这个效应也被称作“宇宙热寂论”,它的出现让人们感到绝望,因为这意味着无论人类如何发展,都免不了和宇宙一起消亡。
什么是宇宙“热寂论”?
我们都知道,当科学家们有了“宇宙”的概念之后,就开始对宇宙进行各种研究,一方面是希望可以找到宇宙的起源,而另一方面,则是希望可以知晓宇宙的最终命运如何。
毕竟,这直接关系到我们的起源,以及我们的未来,说白了,人类文明能否一直永存,在不考虑任何可能会中途让人类文明毁灭的因素条件下,宇宙的最终命运,才是和人类最息息相关的。
那么,宇宙的最终命运究竟如何呢?多年来,科学家们也是提出了很多种的猜想,而其中最悲观的一个,就是根据热力学第二定律提出的宇宙“热寂论”。
作为一种假说,宇宙“热寂论”认为,伴随着宇宙中高温不断向低温转移,最终宇宙中的热量会达到一个完美的平衡状态,而在这个时候,因为温差不再出现,所以,宇宙也变成了“热寂”,再也没有任何可以维持宇宙继续演化,包括维持宇宙中生命继续存在的能量出现。
这也意味着,只要宇宙中的温差消失,宇宙中的所有物质温度都达到了热平衡,那么,宇宙也就正式迎来了末日,宇宙中的一切,也都会随之毁灭。
不得不说,这个假说的确是很令人绝望的,因为在此前的研究中,很多研究者都认为,宇宙会一直存在下去,宇宙膨胀是不会停止的,这也意味着,宇宙并不会消亡。然而,伴随着宇宙“热寂论”的出现,相当于直接给宇宙判了死刑。
所以,为了让人们对于宇宙重新充满期待,詹姆斯·麦克斯韦就创造出了麦克斯韦妖,通过它来告诉人类,宇宙是存在未来的。
那么,麦克斯韦妖又是如何和宇宙“热寂论”抗衡的呢?让我们看一下相关的思想实验:先让我们准备一个容器,在这个容器里,装满了空气,并且容器里面的分子温度也是均匀的,不过,这些分子的运动速度,却是完全不同的,这也意味着,受到运动速度不同的影响,直接会导致分子之间的温度也出现不同。
这个时候,我们从这个容器中,任意选取平均速度几乎是一样的大量分子,然后将它们分为两部分A和B,这个时候,运动速度快的分子从A去往B,而运动速度慢的分子则从B去往A,在这个过程中,原本是温度均匀的容器中,因为分子的速度不同,所以,就会导致B里面的温度要比A的高很多,自然,也就无法实现热寂。
在设定中,麦克斯韦妖就是这样一只可以随时追踪、检测分子运动、运动的“假象妖精”,不过我们都知道,分子是不可见的,这也意味着,即使我们从肉眼的角度来说,判断大块的物体之间会实现“热寂”,但是内部的分子却仍然是存在着温差。
所以,宇宙也是如此,这样一来,也就意味着从热力学第二定律角度出发的“宇宙热寂论”,本身就是一个伪命题,自然,麦克斯韦妖在和宇宙“热寂论”对抗的过程中,也就捍卫了宇宙的明天,也让人类不再担心有一天会因为宇宙死亡而走向终结。
那么,既然无论是麦克斯韦妖也好,还是宇宙“热寂论”,它们本身都是假说的一种,不妨让我们从宇宙命运研究的角度出发,看看科学家们还有哪些有趣的猜想。
宇宙的最终命运究竟走向如何?
如今,伴随着研究的深入,人们基本上已经对于宇宙的起源有了一个普遍的认识,现代科学研究认为,宇宙是起源于一场大爆炸,在大爆炸发生之前,宇宙什么都没有,时间、空间等所有的概念也都不存在,说白了,大爆炸发生之前的宇宙,就是一片虚无。
一直到大约137.7亿年前,一颗奇点大爆炸,让宇宙随之诞生,宇宙也在大爆炸的高温之下快速膨胀,并且一直到今天也在持续膨胀着,并且在过去的130多亿年时间里,通过膨胀不断变大,宇宙中的各类物质也逐渐丰富起来。
不过,都对于宇宙大爆炸的研究,只能为我们解释宇宙是如何起源的,却并不能够回答宇宙最终的命运如何。
一些比较乐观的研究者认为,宇宙是会一直膨胀下去的,从宇宙诞生的那一刻开始,也就意味着宇宙会“永生”不停止。
不过,如果真的如此,似乎也无法解释,当初引发宇宙大爆炸的那个奇点,究竟是如何出现的,对此,也有研究者认为,或许宇宙本身就是一个不断的轮回过程。
研究认为,当宇宙膨胀到极限后,宇宙就会开始坍缩,最终重新变成一个奇点,之后积蓄能量,开始重新在大爆炸中迎来新生。
换句话说,我们目前存在的宇宙,就是上一个宇宙的轮回,这也可以解释奇点是如何出现的。那么,既然宇宙最终的命运都会是毁灭,是不是意味着,人类也会伴随着宇宙毁灭而消亡呢?事实上,人类并不是完全没有出路。
因为我们都知道,现阶段来看,科学家们都相信平行宇宙的存在,只要人类在我们所在的宇宙毁灭之前,找到通往另一个宇宙的入口就可以了。这样一来,虽然宇宙是每一个独立的,存在着末日的个体,但是只要新的宇宙不断出现,那么,我们就有办法实现“永生”,对此,你怎么看?