宇宙是熵增还是熵减?
2024-11-19 阅读 222
更新于 2024年11月21日
个人感觉有增有减。
不增不减。
宇宙恒在，日月常新。
宇宙是广义相对论时空，存在中心奇点，因与人类同在同一个视界内而裸露可见，成为裸奇点，在光学上呈现为宇宙视界。
宇宙中心在光学上呈现为宇宙的视界，是因为剔除可见物质的宇宙时空的质量密度分布规律所产生的独特光学特性。宇宙时空的独特光学特性有两个，另外一个就是红移特性：光线在观察者视向距离不同的的两点之间传播时产生红移。
宇宙中心作为宇宙时空内的唯一裸奇点，在吞噬星际物质的同时发出超高能电磁辐射及宇宙射线；超高能电磁辐射在经历了引力红移后呈现为宇宙微波背景辐射；宇宙射线衰变后产生各级次生粒子为新的星系诞生提供源源不断的物质；新的物质在远离宇宙（视界）中心的等势面上聚集并开始坠落，新的星系逐渐形成；越靠近宇宙（视界）中心的星系越古老，坠落速度越快。
如果人类的寿命足够长，最终将会目睹银河系被宇宙中心吞噬时逐渐消失在人类视野中的画面，而宇宙依然存在，银河系和人类被撕裂吞噬后将以超高能宇宙射线形态重新辐射而出。
一.宇宙是广义相对论时空
宇宙是广义相对论时空，剔除可见物质的宇宙时空的质量密度分布遵从爱因斯坦广义相对论引力场方程严格解，可以用以下极坐标函数关系式[1][2][3]来描述:
D(r)=k/4πr²——[1]
t=-r/c——[2]
k=1/2εμG——[3]
其中
D(r)——宇宙剔除可见物质后的真空质量密度函数
r——以宇宙中心点为极坐标原点的极坐标轴上的值，取值范围0至R,R为宇宙视界半径
t——极坐标轴上的单位刻度，t＜0，取值范围0至-R/c
k——新宇宙常量，kμεG=1/2
ε——真空介电常量
μ——真空磁导率
G——引力常量
该时空具有如下特性:
1.以在作自由落体运动的观测者附近相对静止的任意一点为坐标原点建立三维直角坐标系，则三维直角坐标轴同时具有空间和时间的属性;观测者所在时空的未来方向是宇宙的过去;直角坐标系原点在宇宙绝对时空的时间坐标为-R/c;
即假设
R/c=T
则观测者所在三维直角坐标系原点在宇宙时空的时间位置为-T;代表已经的存在时长;而宇宙中心点在观测者所在三维直角坐标系中的时间位置是未来T;而这一点恰恰是宇宙时间的起点。
时间和空间是宇宙时空的属性，是宇宙存在的基石。
2.将三维直角坐标系坐标轴以光速向远离坐标原点方向延伸R/c时间后，三维直角坐标系轴同时汇聚在一点，该点称为宇宙中心裸奇点;且在观测者的视野中呈现为宇宙视界。
从该时空特性可推广得出裸奇点定理：
观察者所在时空内必然存在唯一裸奇点，并呈现为观察者所在时空的视界。
3.光线在观测者视线上A,B两点间产生的红移值为:
Z=0.5ln[(R-a)/(R-b)]
其中
a——A点至观测者视向距离
b——B点距观测者视向距离，b＞a
宇宙学红移定理:宇宙学红移值仅与光线传播路径上两点时空的弯曲曲率差相关，与暗能量无关。
二.宇宙可观测效应
按照广义相对论和万有引力定律，宇宙有如下六个可观测结果:
1.谱线特征点蓝移的天体全部位于本超星系范围内。
这一点已经被盖亚卫星公布的第三期数据证实:宇宙时空内有43%的可观测天体谱线特征点蓝移，且全部位于本超星系范围内。
2.微波背景辐射及超高能宇宙射线源自宇宙视界。
这也已经被观测证实。
3.最高能量的超高能宇宙射线位于宇宙微波背景辐射温度最高点周围不大于1/6的天球区域。
待观测证实，是一个预测。
4.宇宙微波背景辐射温度最高点的温度是上升的趋势，而不是宇宙大爆炸理论预测的降低趋势。
这也是一个有待证实的预测。
5.本超星系范围之外的星系谱线特征点红移，红移值与距离关系遵从宇宙学红移定律公式:
Z=ln[R/(R-D)]
其中
Z——本超星系范围之外的星系谱线特征点红移值
R——观测者距宇宙视界的视向距离
D——被观测星系距观测者的视向距离
这个公式是从万有引力定律和广义相对论引力场方程严格解推导得出的，下面就简单介绍如下:
为方便大家理解，将包含可见物质（K=2k）的宇宙时空用广义相对论引力场方程严格解的张量表达式简化为三维极坐标函数关系式[1][2][3]:
D(r)=K/4πr²——[1]
t=-r/c——[2]
K=c²/G——[3]
将上方程组与万有引力定律公式联立，解上图中的自由落体从A点加速坠落到B点时的速度增加量
ΔV=ln[(R-a)/(R-b)]*c
令
Z=ΔV/c
a=0
b=D
则
Z=ln[R/(R-D)]
其中
a——A点距观测者视向距离
b——B点距观测者视向距离
6.最遥远的星系一定是演化进程时间最久，演化形态最古老的星系和超大质量黑洞。
这个问题触及了宇宙学和热力学中非常有趣且复杂的概念。
1. 熵的概念：熵是一个衡量系统无序度的物理量，在统计物理学中与微观状态的数量有关。根据热力学第二定律，一个封闭系统的总熵不会减少，这意味着孤立系统内的自然过程倾向于朝向更高的无序状态发展。
熵的概念2. 宇宙作为开放系统 vs 封闭系统：当我们谈论整个可观测宇宙时，它被视为一个极其巨大的、几乎可以看作封闭的系统（假设没有物质或能量能够进入或离开）。但是，从另一个角度看，如果考虑到可能存在的多重宇宙理论，那么我们的可观测宇宙就可能只是更大结构的一部分，这使得情况更加复杂。
多重宇宙理论3. 局部熵减：虽然整体上宇宙趋向于熵增，但是在某些局部区域，比如地球上的生命体内部，存在着熵减的过程。这是因为这些系统通过消耗能量（例如太阳能）来维持低熵状态，并将额外的熵以热的形式释放到周围环境中。因此，虽然局部地看起来像是熵减少了，但从更广泛的视角来看，包括考虑到了所有相关联的能量转移后，总熵实际上是增加了。
4. 空间膨胀对熵的影响：空间扩张确实为新星系、行星乃至生命的形成提供了条件。然而，这种扩张本身并不直接导致熵减少；相反，随着宇宙体积的增长，理论上可供粒子分布的空间也变大了，从而潜在地允许更高的熵水平。此外，暗能量驱动的加速膨胀可能会进一步增加宇宙的整体熵。
暗能量使宇宙膨胀加速综上所述，尽管在特定条件下或局部区域内可能存在熵减现象，但从宏观尺度来看，根据当前理解，整个宇宙总体上仍处于熵增的过程中。关于“空间扩大给了生命更多可能性”的观察是非常正确的，但这更多地反映了复杂性如何能够在熵增的大背景下出现，而不是意味着宇宙整体上正在经历熵减。实际上，生命的出现和发展可以视为是在不断增长的熵海洋中建立暂时性的有序岛屿的一种方式。
在目前的科学认知中，宇宙整体是熵增的。
熵是衡量系统混乱程度的物理量。根据热力学第二定律，在一个孤立系统中，熵不会减少，只会增加或者保持不变。宇宙可以看作是一个巨大的孤立系统，自然过程总是朝着熵增加的方向发展。
例如，恒星的燃烧是一个从有序能量向无序能量转化的过程。随着时间推移，宇宙中的能量分布会越来越均匀，物质结构也会从有序向无序演变。不过在局部，比如地球上生命的形成和发展，会出现熵减的情况，但这是以消耗太阳提供的能量为代价，从宇宙整体看，还是熵增占主导。
