熵量

熵量是在宇宙系統中,除了質量、能量外,另一種物理量。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。

熵量的提出

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。
熵量是在宇宙系統中,除了質量、能量外,另一種物理量。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/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。

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系統中的熱運動。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。

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、黑洞構成循環過程的系統中,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。

宇宙的總能量為零之正負宇宙總圖宇宙的總能量為零之正負宇宙總圖
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。

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