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宇宙膨脹與熱力學定律

(2021-12-23 22:07:37) 下一個

戴榕菁

科學界有一些碰不得的筋,一碰就急,一急就什麽招數都會用出來,抓根稻草都會當作大樹樁,把邏輯丟在腦後。其中有三根最典型,其中一根是所謂的信息傳播速度不能超光速。當發現量子糾纏速度會超出光速時,就有人迫不及待地跳出來說,那並不代表量子糾纏可以以超光速傳播信息的,並給出一大堆理由來,基本上說接收端並無法通過對糾纏的量子進行測量來了解發送端發出的信息,而必須通過其它途徑與發送端核實後才能確定發送端發出的信息[1]。我在網上看到不止一兩個物理學家津津樂道地用這樣的邏輯進行科普來說明量子糾纏並沒有實現超光速傳遞信息。而他們這樣說的終極目的是要讓世人接受這樣的結論:量子糾纏並沒有打破愛因斯坦立下的信息不能超光速傳遞的禁戒。他們中的有些人幹脆明確地給出這樣的結論,而另一些人則既不給你明確地說量子糾纏打破了愛因斯坦立下的光速極限,也不給出個沒有打破光速極限的說法,而是玩猶抱琵琶半遮麵的遊戲,先是說“相互糾纏的量子確實可以超光速相互影響使得有人認為我們可以通過量子糾纏來超光速地傳遞信息從而打破了愛因斯坦立下的光速極限”,然後話鋒一轉告訴你“但實際上我們做不到”,讓人們聽了似乎是否認了愛因斯坦立下的光速極限可以被量子纏繞打破,又肯定量子糾纏是可以超光速的,最後達到讓你發懵的效果。

這裏的問題在於那根本就是兩碼子事。糾纏的量子彼此之間的影響速度是否違背了愛因斯坦立下的光速極限和人類是否能通過這種相互影響來傳遞信息是兩個完全不同的議題。

但今天的物理學界就偏喜歡這麽用人類無法通過量子糾纏來傳遞信息這一點來打馬虎眼對量子糾纏打破了愛因斯坦立下的光速極限這點進行否認。不是一兩個人這麽幹,而是大家都這麽幹------原因很簡單:那是一根碰不得的筋,所以他們不惜用語言學的邏輯來影響物理學的自然邏輯。用人類彼此之間相互傳遞的“信息”來給有關量子之間傳遞的“信息”的特征打馬虎眼。科學界一旦被碰到碰不得的筋的時候們就是這麽倔。

但與另外兩根碰不得的筋相比,上麵的光速極限的那根筋又算不得什麽了。在光速極限的問題上科學界還會費盡心思地搞出上麵那種猶抱琵琶半遮麵的花頭來維護那個筋,對另外兩根筋,那是根本明確告訴你:千萬別碰,這不是你能碰得起的。

那兩根筋的一根叫做熱力學第二定律,另一根叫做能量守恒,也被稱作熱力學第一定律。

加州理工的物理學家和宇宙學家Sean Carroll在十多年前[2]就指出宇宙膨脹使得能量不守恒。他指出宇宙膨脹從兩個方麵導致能量不守恒。其一是,宇宙膨脹的結果導致光子的能量因為紅移而損失,其二是作為宇宙膨脹的原因的所謂的暗能量是不斷增長的。他指出這是一百來年前就已經明確了的知識,而且說人們通常似乎可以接受第一個原因而很難接受第二個原因。

實際上,今天的科學界基本上不隻是不接受那第二種不守恒,而是那兩種不守恒都不接受。隻不過對於第一種不守恒他們通常采取的措施是假裝沒看見,既不去承認它也不去否認它,隻是一如既往地說聲稱能量是絕對守恒地;而對於第二種不守恒,他們就耐不住性子了,非要跳出來理論一下來強調暗能量也沒有打破能量守恒的定律。關鍵是他們的解釋又是讓人聽了哭笑不得的撈稻草的行為。他們會告訴你:暗能量的增加其實沒有打破能量守恒,因為當宇宙膨脹時,重力場中的負能量被釋放出來,而這個負能量可以抵消增長的暗能量。但這樣一來他們就不得不麵對什麽是重力場的負能量的問題,這時好笑的就來了,他們居然把重力勢能的解釋作為重力場負能量,因此膨脹導致重力勢能的增加就是所謂的重力場的負能量的增加[3]

這又是哪兒對哪兒呀!且不說用隻占宇宙總能量的5%的現在已知的物質的重力場的勢能來解釋占宇宙總能量70%的暗能量的增長是否有失平衡,就以重力勢能與距離成反比而暗能量被認為是均勻分布這一點來說用重力勢能的負增長來解釋暗能量滿足能量守恒也說不過去呀。但這種混亂的邏輯還確實能唬人,連Sean Carroll在他的文章的結尾都說他可以理解人們的那種解釋隻不過覺得沒必要那麽難為自己。不知道他這麽說是為了不得罪同行而虛與委蛇的客套,還是真的也被那種奇談怪論給搞懵了。

但不管怎麽說畢竟科學界還是有象Sean Carroll(還有Sabine  Hosenfelder)這樣一些人敢出來說宇宙膨脹已經打破了熱力學第一定律,也就是能量守恒定律了。但另一根更碰不得的筋似乎還沒有人敢碰,就是熱力學第二定律。但我們卻遇到一個奇怪的名稱叫做負壓力。我最初聽到這個名稱還以為是負壓病房的那個小於周圍氣壓的負壓力的意思,也就是說對周圍的物體產生吸力的那種負壓力呢。後來發現,恰恰相反,這種負壓力不但不產生吸力,而且還產生大大的推力,以至於把整個宇宙推得加速膨脹。

現在問題來了,根據熱力學原理,當一個熱力學係統在恒溫下對外膨脹時,它對外做功為:

dW = pdv,

其中dW是所作的功,p是壓力,dv是體積膨脹值。而這裏反映熱力學第二定律的一個結論是:上述膨脹的結果是該係統的壓力p會減小。但是,當宇宙在暗能量的作用下進行膨脹時,那個負壓力卻是不變的。從這個意義上來說,它就已經違背了熱力學第二定律。

迄今為止,雖然有物理學家在大費周章地推導宇宙膨脹下的熱力學體係,卻沒有人明確說宇宙膨脹會導致熱力學第二定律也出現狀況。但問題是,並沒有人來解釋應該如何麵對暗能量的負壓力對外做功卻不減小這個現象與熱力學第二定律至少表麵看起來矛盾的這個問題。看來在這個問題上大家又打算假裝沒看見了。

對了,物理學界還整出了一個莫名其妙的說法:1)我們可以算出整個宇宙比我們的可觀測宇宙大出多少來;2)宇宙其實是從無限大膨脹到無限大。。。。。。這又是哪兒對哪兒呀???如果宇宙其實是從無限大膨脹到無限大,你又怎麽能算出整個宇宙的大小呢?

總之,科學界有很多碰不得的筋。。。你一碰,他們就急,他們一急就會隨便撈根稻草當樹樁,整出些你搞不懂他們說什麽的有的沒的。。。。。。不是因為所涉及的數學太複雜而搞不懂(盡管那裏的數學確實是不容易搞懂),而是因為邏輯上莫名其妙。。。。。。

 

 

 

[1] https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2016/05/04/the-real-reasons-quantum-entanglement-doesnt-allow-faster-than-light-communication/?sh=422112823a1e

[2] https://www.preposterousuniverse.com/blog/2010/02/22/energy-is-not-conserved

[3] https://www.scientificamerican.com/article/energy-can-neither-be-created-nor-destroyed

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評論
USOH007 回複 悄悄話 另外,我認為熱力學第二定律的熵增以及所謂的時間箭頭是宇宙膨脹的結果。試想在一個收縮中的宇宙,熱力學第二定律是否應該是反過來的、即熵減而不是熵增?
USOH007 回複 悄悄話 能量守恒隻在一個封閉的係統裏成立,而目前並不清楚咱可觀測到的宇宙是否為一個封閉係統。如果宇宙空間是多於三維的,但因為人類隻是三維生物而隻能感知/檢測三維內的宇宙。又如果我們目前檢測到的能量隻作用於三維空間,而目前無法直接檢測到暗物質和暗能量則可以作用於三維及三維外的空間,那這個我們觀察到的三維宇宙(對暗能量以及其它存在於三維及以外的物質與能量而言)就不是一個封閉的係統了吧?既然不是一個封閉係統,能量守恒就不適用了。
tintin9999 回複 悄悄話 為什麽一定是宇宙膨脹?有沒有可能是因為我們自己受到銀河係中心的黑洞引力吸引,使得地球周圍的空間在收縮。這樣我們觀察宇宙遙遠地方時,一切看起來都像是在膨脹。
lurenjia2014 回複 悄悄話 熱力學定律PV=nRT, 這個定律在太陽係外,不一定成立。這些其實都是經驗公式。比如太陽係隻有一個恒星,但是宇宙裏大部分星係都是有2個恒星的,所以,很多外星人的星球,都比地球熱,氣候類似於墨西哥和伊拉克。這可能就是為啥上帝選了伊拉克作為伊甸園的原因。
lurenjia2014 回複 悄悄話 宇宙膨脹速度比光速還快。宇宙算是物質還是能量呢?
J_man 回複 悄悄話 如果你把宇宙想象成是由橡皮筋構成的話,就比較好理解能量守恒了。繞在一起的疙瘩就是物質,把疙瘩解開就會向周圍釋放能量。
同意一樓觀點,目前的物理定律都是在地球或者太陽係內套用,如果推廣到整個宇宙,是有很大問題的。我猜想也許飛出太陽係後人類才會發現,外麵的引力常數不一樣。
J_man 回複 悄悄話 Sabine Hosenfelder是比較反叛的,youtube上她的很多話題我都有留言。去年她還回複我希望我的感冒早點兒好。
她的問題是反叛的力度不夠,她是愛因斯坦的堅定支持者。這導致她在一些問題上嚴重的誤判。她的觀點“Free will does not exist”源自愛因斯坦的決定論,過去、現在和未來始終存在永不消失。愛因斯坦方程描繪了塊宇宙中的一切從一開始就已經決定;宇宙的初始條件決定了之後會發生什麽。這顯然是錯誤的,因為時間是時間,空間是空間。
不隻有我一個這麽認為,check: Fotini Markopoulou - Is Time Fundamental?
紅米2019 回複 悄悄話 宇宙膨脹的結果導致光子的能量因為紅移而損失

這似乎是一個參照係的問題。我們看遙遠星係發出的光有紅移,但在那個星係測量則沒有。
LingYuan 回複 悄悄話 我覺得宇宙膨脹是悖論。
LingYuan 回複 悄悄話 現在社會太複雜了,連量子都糾纏起來了。人們的野心也越來越大,甚至連宇宙都在膨脹。:)))
modems 回複 悄悄話 不用嘲笑別人,難道你更懂?你解釋一下怎麽合理?
mikecwu 回複 悄悄話 熱力學第一第二定律是在發現暗物質和暗能量之前總結出來的,是根據地球上的物理規律總結出來的,用到更大的宇宙上去肯定有行不通的地方。

量子糾結也是近年發現的,而光速是宇宙限速則是很久以前的結論。人都有惰性,對新概念有抵觸情緒。愛因斯坦當年的相對論也是不被同行接受的。後來通過長時間的證明才說服了大家。
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