隔离|宇宙在大爆炸时的熵为零吗香港卫生署

文章图片

【隔离|宇宙在大爆炸时的熵为零吗】宇宙中最不可违背的定律之一是热力学第二定律：在任何物理系统中，没有任何东西与外部环境交换，熵总是会增加。这不仅适用于我们宇宙中的一个封闭系统，而且适用于整个宇宙本身。如果你观察今天的宇宙，并将其与之前任何时间点的宇宙进行比较，你会发现熵一直在上升，并且还在继续上升。如果熵一直在增加，这是否意味着宇宙大爆炸的最初时刻的熵为零？
答案是否定的。宇宙不仅没有最大限度地组织起来，甚至在热大爆炸的最初阶段也有相当大的熵。
当我们在热大爆炸的最早阶段考虑宇宙时，今天拥有的所有物质和辐射被压缩成一个足球大小的体积。它非常热和致密，大约10??个粒子、反粒子和辐射量子，它们都拥有数十亿倍于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机所能达到的巨大能量。这样一来，它确实看起来像一个无序的、非常高熵的状态。
但是熵到底是什么意思呢？我们通常认为它是一种无序的度量，但并不是“有序”或“无序”使我们能够量化熵。相反，我们应该考虑的是，对于系统中存在的所有粒子，每个粒子的量子态是什么；或者在能量和能量分布的作用下，允许的量子态是什么。熵实际上度量的，是整个系统的量子态的可能排列数，而不是一些模糊的特征，比如无序。
当宇宙非常年轻的时候，它有一定数量的粒子，它们有特定的能量分布。在这些早期阶段，几乎所有的熵都是由辐射造成的，如果我们进行计算，我们就会发现总熵大约在S=10?? k_B ，其中k_B是玻尔兹曼常数。
但重要的是，尽管大爆炸是我们所知的宇宙的起源，但它并不是我们能理智地讨论的第一件事。据我们所知，大爆炸并不是最初的开始，而只是描述了一组条件：炽热、致密、充满物质、反物质和辐射等，这些条件在大爆炸之前就存在了。然而，为了建立大爆炸理论，我们所拥有的最佳证据指向了大爆炸之前的另一种状态：宇宙暴涨。
根据暴涨理论，在大爆炸之前，宇宙充满了一种类似暗能量的能量形式：一种场或空间本身结构所固有的能量。当宇宙暴涨时，它以指数形式不断膨胀。在这段时间里，每过大约10^-32秒，就会有一个普朗克长度大小的区域被拉伸到今天可见的大小。
在暴胀期间，我们宇宙的熵低得多：大约101?k_B ，重要的是，在这段期间，宇宙的熵并没有特别大的变化，它只是被稀释了，熵密度发生了巨大的变化。这对于理解我们宇宙中发生的事情至关重要。我们不需要一些奇迹般的低熵状态来开始我们的宇宙。