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1、熵量守恒定律一、熵(entropy)量守恒定律的科学论证。在宇宙系统中，除了质量、能量外，还有一种叫做熵量的物理量。在宇宙中，不但质量是守恒的，能量是守恒的，而且，总的熵量也是守恒的。 1、黑洞。1783年，英国牧师、天文爱好者米切尔根据牛顿的引力理论，提出了黑洞的思想。当时称之为暗星。1798年，法国数学家、物理学家和天文学家拉普拉斯认为，如果一颗发光星球的密度和体积足够大，由于星球的引力，它的光线将不能到达我们这里。因此，宇宙间这类最大的星球可能是看不见的。这种看不见的星球，已经含有暗黑空洞的意思。这种星球，人们称之为拉普拉斯暗星。现代物理学认为，质量超过3.2太阳质量的天体，在耗尽核燃料
2、后，将没有任何力能够抗衡其引力的作用。这里的3.2太阳质量称之为奥本海默极限。在这样的情况下去，这种天体将在其引力的作用下，继续坍缩下，演变成看不见的天体。这是一种特殊的天体，具有独特的特性。通常认为，一切物质、包括光子，只要一进入这种天体，它们将再也无法从中逃逸出来。正因为这种独特的天体具有这种奇异的性质，1969年，美国物理学家惠勒将其称之为黑洞。黑洞存在着视界，在施瓦西度规中，其视界半径为小于等于2GM/（c的平方）。对于这种独特的天体，除了质量、角动量和电荷外，再也无法从视界内获得任何其他的信息。对于这一表述，人们将其称之为黑洞三毛定则。从德国物理学家爱因斯坦的广义相对论和黑洞理论出发
3、，将会得出，黑洞中的物质将不断坍缩，以至于所有物质都将坍缩到r=0的奇点处。在奇点处，时间和空间将会到达它们的尽头，物质密度将会达到无限大，物质温度也将达到极高的程度，星体的引力坍缩也就到此而终止。从物理要求来说，奇点并不是物理世界本身应该具有的。它的出现表明，广义相对论尚有不完善的地方。在奇点处，也许正是广义相对论失效的地方。 2、白洞。人们发现，在宇宙中也存在这样一些天体，这些天体体积不大，却亮得惊人。物理学家们认为，在这种天体的中心，存在着一种更为神奇的洞，他们将其称之为白洞。物理学家发现，白洞也有一个封闭的边界。与黑洞相反，白洞内的物质和辐射只能向外运动，而不允许物质和辐射进入它的内部
4、。看上去，白洞中存在着一个向外喷射物质和能量的源头，因此，白洞又得到宇宙中的喷射源这样一个名称。在白洞的中心，是一个聚集着物质的致密物质团，这是由各种基本粒子所组成的。当这个致密物质团处于膨胀过程中时，各种基本粒子就会辐射出去。这些辐射粒子具有很高的速度。当其与周围的物质发生碰撞时，由于其异常剧烈，在此过程中，将会释放出巨大的能量。有的物理学家认为，白洞是从黑洞转变过来的，白洞释放的大量物质和能量，正是在黑洞形成时获得的。我们知道，黑洞的形成是一种在引力作用下发生坍缩的过程。然而，白洞发生的过程正好与黑洞形成的过程相反，是一种反坍缩的过程。在这种过程中，白洞要发生猛烈的爆发。现在，白洞已越来越
5、受到物理学家们的注意。 3、大爆炸。在20世纪30年代，天文观测发现，宇宙在膨胀。于是，天文学家们推测，由此往回推，在过去的某一时刻，宇宙物质将聚集在一起，其密度将趋于无限大。1932年，比利时天主教牧师、天文学家勒梅特首先提出，现在观测到的宇宙，是由一个处于极端压缩、极端高温状态的原始原子的大爆炸产生的。从1948年到1956年，苏联天体物理学家伽莫夫先后发表了宇宙的深化、膨胀宇宙的物理学等论文。其后，伽莫夫还与其学生、后成为美国物理学家的阿尔弗等人一起，发表了化学元素的起源的论文。以上论文对勒梅特的思想作了进一步的发挥，并对早期元素的合成进行了探讨。伽莫夫提出，宇宙起始于高密、高温状态的原
6、始火球。在原始火球里，物质以基本粒子的形态出现。在基本粒子的相互作用下，原始火球发生了爆炸，并向四面八方均匀地膨胀。伽莫夫还预言，在现今宇宙中，应有大爆炸残留下来的背景辐射。阿尔弗和赫曼进一步指出，早期遗留下来的背景辐射，现在已经十分微弱，只有温度为几个开的黑体辐射了。1965年，2.74K宇宙背景微波辐射的发现，证实了伽莫夫等人的预言。从此，大爆炸宇宙模型受到了越来越多的人的重视。大爆炸宇宙模型又称标准宇宙模型。现在，大多数宇宙学家都赞同大爆炸宇宙模型的观点。大爆炸过程，实际上就是一个白洞的过程。 4、对称性原理。人们认识到，物理学中存在的守恒定律，如动量守恒定律、角动量守恒定律、能量守恒定
7、律等。这里边些守恒定律都与对称性有着密切的关系。可以看出，物理学中任何种类的守恒定律，都存在着某种对称性。反之，物理学中的任何一种对称性，也必然导致一种守恒定律。其实，所谓对称性，是指物理规律在某种变换下的不变性。例如，与动量守恒定律相对应的对称性，是空间的平移不变性；与角动量守恒定律相对应的对称性，是空间的转动不变性；与能量守恒定律相对应的对称性，是时间的平移不变性等。1924年，拉波特提出了宇称的概念。所谓宇称，就是左右对称性，即当空间坐标左右变换时，经典的物理规律具有不变性。左右对称性用符号P表示。1927年，维格纳在应用宇称概念研究原子现象时证明，在原子现象中，宇称守恒，此即宇称守恒定
8、律。由于宇称守恒定律经受了大量实验事实的检验，因此，人们对这一定律深信不疑，认为左右对称是自然界的固有定律之一。20世纪40年代以来，特别是在50年代，人们发现，宇称守恒定律在弱相互作用下不守恒。其后，人们又发现，电荷共轭对称性即用反粒子替换粒子不守恒。电荷共轭对称性用符号C表示。同时，人们又发现，时间反演对称性即物理过程时序逆转也不守恒。时间反演对称性用符号T表示。但是，人们发现，宇称、时间反演和电荷共轭的共同变换，其CPT过程总是守恒的。以上不对称问题是在微观过程中，主要是在弱相互作用过程中出现的情况。并且，这种不对称性的效应是十分微弱的。总的说，在宏观领域中，物理过程是守恒的。在宏观物理
9、过程中，是具有空间反射镜像的左右对称性的，即宇称是守恒的。 5、能量守恒定律。十七世纪，法国哲学家笛卡儿从哲学上提出了能量守恒和转化定律的基本思想。1644年，笛卡儿撰写了哲学原理一书。该书写道，“物质的运动有一个固定量。虽然在物质的某些部分中有时候会有所增减，但物质的这个固定量却是从来不增加也不减少的。”在这里，笛卡儿从机械运动的角度，说明了能量的守恒。1842年，德国医生迈尔发表了论无机自然界的力一文。其后，迈尔又发表了与新陈代谢联系着的有机运动一文。迈尔在论无机自然界的力一文中指出，力是在量上不可毁灭而在质上可以转化的实体，并推算了热的机械当量。迈尔最早表述了能量守恒和转化这一普遍的自然
10、规律，并给出了热功当量，发现了能量守恒定律。迈尔发现能量守恒定律以后，英国业余科学家焦耳用各种方法进行测定不同运动形态之间相互转化时当量关系的工作，于1843年发表了第一个热功转化的实验结果。此后，焦耳用了近30年的时间、几乎以他毕生的精力，反复不断地进行实验，取得了较为准确的实验结果。焦耳的工作对于进一步确立能量守恒定律，具有重大的作用。1947年，德国物理学家赫尔姆霍兹运用数学方法，证明了能量守恒定律在力、热、电、磁和天文现象中的普适性，并以专业的科学术语，对能量守恒定律进行了新的解释。其后，物理学家普遍相信，自然界中的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它能由一个系统传递给另一个系
11、统，从一种形式转化为另一种形式，在传递和转化过程中，总的能量保持不变。此后，能量守恒定律得到了科学界的公认。能量守恒定律是自然界中最重要的普遍定律之一。能量守恒定律可表述为，在任何与周围隔绝的孤立的物质系统中，不论发生什么运动和变化，能量的形态可以发生转化，但总的能量保持恒定不变。对于非孤立的系统，可以与外界发生能量的交换，它的能量会有所改变，但它增加或减少的能量值，一定等于外界减少或增加的能量值。因此，从整体看，能量的总和仍然是不变的。能量守恒定律表明，物质的运动是不能创生或者消灭的，能量是物质运动的量度，它只能在各部分物质之间进行传递，或者从一种形态转化为另一种形态，也是不能创生或者消灭的
12、。 自从1842年德国医生迈尔发现能量守恒定律以后，经过长期的实验检验，充分证明，这条定律是自然界的基本定律，是完全正确的。 6、熵量。1950年，德国物理学家克劳修斯提出了熵的概念。熵就是温比热量，是热量的变化除以绝对温度所得的商，也就是热力学系统平衡态的状态函数。熵量则是无序程度的量度。 7、熵量增加原理 克劳修斯提出熵的概念后，进而发现了热力学第二定律，亦称熵量增加原理： dS大于等于dQ/dT。 其中dS为初态和终态均为平衡态的某过程的熵变，dQ为在此过程中热量的变化，T为温度，不等号表示不可逆过程，等号表示可逆过程。上式中的dQ=-cdT，亦即系统中热量的变化。其中c为热容量，符号-
13、表示系统具有负的热容量。事实上，对于某个热力过程，不管初态、终态是否平衡，该式都成立。对于孤立系统，有： S大于0。 可以看出，以上两式是在无约束的条件下得出的。在这种系统中，各物体是排斥性的，是一种热力扩散性的结构。 8、熵减原理。2001年，本人发现，在自然约束的引力系统中，粒子的动能小于势能，即E小于等于（1/2）V，其中E为粒子的动能，V为引力势能，V=-GMm/r，G为万有引力常数，M为场源的质量，m为引力场中某粒子的质量，r为粒子到场源中心的距离。上式表明，在约束性的系统中，系统的总能量为负。同时，我们看到，在引力场中，粒子的运动类似于某系统中的热运动。因此，可以用热力学的方法来研
14、究这种运动。现在，用上式代换热力学第二定律、亦即熵量增加原理中的热量dQ，代换后的能量（1/2）V的含义与热量dQ的含义相类似。由此，我们得出，在自然约束系统中，存在熵量减少的现象，并进而发现了熵量减少原理，亦即引力约束系统的热力学定律： dS小于等于（1/2）V/T小于等于0。 9、熵量守恒定律。宇宙中的白洞过程，是熵量增加的过程。20世纪上半叶，多位数学家和物理学家提出了大爆炸和热膨胀的模型。在大爆炸和热膨胀的过程中，某宇宙系统的半径从约等于0增大到最大，温度从最大下降到最小。我们将处在这一过程中的宇宙系统划分为充分小的各个小系统，通过积分，有，熵量S大于0。这是一个熵量增加的过程。 对于
15、黑洞过程来说，则是熵量减少的过程。假设某宇宙系统在热力作用下,经过某个膨胀过程以后,停止膨胀,速度为零,温度下降到最小。这时，在引力的作用下，某宇宙系统开始收缩，并最后坍缩成黑洞。在收缩过程中，引力占优势，势能绝对值|V|大于动能K，Q为负值，熵为负。显然，在这一过程中，其半径减小，从最大减到约等于0，温度从最小逐渐上升，在坍缩成黑洞时，温度达到最大。这是一个热化的过程。现在，也将该宇宙系统划分为充分小的各个小系统，通过积分，有，熵量S小于0。 热力学第二定律指出，对于可逆过程，其积分可沿任一路径进行，在沿可逆过程对温比热量的变化进行积分时，其积分与路径无关，即积分结果为一常量。在某些特殊的情
16、况下，个别白洞、黑洞过程可以构成循环系统。这种特殊情况，就是这样的可逆过程。对于这种可逆过程，从以上可得： S=0。 从以上可见，白洞具有的是正的能量，黑洞具有的是负的能量。在白洞、黑洞构成循环过程的系统中，总的能量变化为0，也就是说，能量是守恒的。同时，从此式可见，总的熵量变化也为0，也就是说，熵量也是守恒的。 在宇宙中，除了某些白洞黑洞过程构成循环系统的特殊情况外，在一般情况下，大多数白洞、黑洞过程是错开的，并不构成循环系统。假定在宇宙中有m个天体处于白洞状态，有n个天体处于黑洞状态。在宇宙中，在总体上，白洞、黑洞总是相继发生的。在一般情况下，对于两相邻的白洞、黑洞来说，白洞的正能量和黑洞的负能量并不一定是相等的。但是，根据对称性原理，在总体上，宇宙中的白洞、黑洞是对称的，白洞的正能量和黑洞的负能量总是相互抵消的。在这种情况下，可以令m=n，从而有： S=0。 从以上可见，在局部区域，两相邻的白洞、
