引力解不了熱寂

如果要在物理名詞翻譯中選出譯得最好的譯名,virial theorem=位力定理毫無疑問在候選之列。

一方面讀音接近原文,一方面定理中的“virial”本來就是以“位矢”和“力”內(nèi)積求和而成,該詞詞源為拉丁語的“能量”,位力定理的內(nèi)容正是它的一半恰好在時(shí)間期望上等于總動(dòng)能——的相反數(shù)。例如,對于兩個(gè)只靠牛頓引力聯(lián)結(jié)的星體,位力定理顯示總動(dòng)能等于負(fù)總勢能的一半。所以,總能量(其實(shí)是機(jī)械能)等于負(fù)的總動(dòng)能。

這結(jié)果為“熱寂說”的反對者提供了一個(gè)奇妙的論據(jù):有的系統(tǒng),失去越多能量,動(dòng)能反而越大!如果套用常見的理解,動(dòng)能增大就表示溫度上升,所以就更容易流出更多的能量,繼續(xù)導(dǎo)致溫度提高,這就成了一個(gè)強(qiáng)大的正反饋機(jī)制——最初失去能量的區(qū)域變得更容易喪失,首先獲得能量的區(qū)域則吸收越來越多的能量。系統(tǒng)中的能量分布只會(huì)越來越不均勻,最終形成宏觀尺度上的穩(wěn)定有序結(jié)構(gòu),而不會(huì)進(jìn)入均勻的總體平衡態(tài)(宇宙的熱寂)。由于能量流動(dòng)通常攜帶著信息,結(jié)構(gòu)的功能性和秩序透過各部分間的“通信協(xié)調(diào)”得以實(shí)現(xiàn)。

以上的推理,其實(shí)只有最后一段在科學(xué)上是靠譜的——能量分配中的正反饋機(jī)制可能造就穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。而前面最關(guān)鍵的部分幾乎都是可疑的。例如,形式上看能量增加時(shí)溫度反而下降,會(huì)算出比熱容是負(fù)值,他們就將自引力系統(tǒng)稱作“具有負(fù)的比熱容”,但這卻是一項(xiàng)致命傷:平均動(dòng)能和溫度的關(guān)系只存在于能量均分定理的適用范圍內(nèi),而這個(gè)定理的成立是需要平衡態(tài)的——可是這恰恰是反對者們不想要的:因?yàn)樗麄円撟C的就是系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡,能量在各自由度間分配高度不均勻。特別地,在前面的例子里大家已經(jīng)可以看到,位力定理是不會(huì)讓動(dòng)能和引力勢能有相等的期望的,這已經(jīng)顯著破壞了能量均分的要求。更不用說位力定理說明的只是關(guān)于時(shí)間期望,不能直接把它換成系綜期望的問題了,因?yàn)槟欠N正反饋體系顯然不會(huì)是遍歷的。

即使我們舍棄溫度和熱容這些平衡態(tài)下的工具,只在“失去能量—>動(dòng)能增大—>更容易失去能量”的基礎(chǔ)上表述。這同樣是不對的。因?yàn)?,位力定理其?shí)是有一個(gè)必要前提的,只是它對有界穩(wěn)定體系總是成立所以容易被忘掉:總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)期望得是0。所以,你得禁止問題里的系統(tǒng)做持續(xù)加速的膨脹——OK,這已經(jīng)保證它不可能和上述的正反饋體系相容了,很可能與現(xiàn)實(shí)宇宙的長期演化也不相容。

總之,至少在經(jīng)典范疇內(nèi),考慮引力作用的廣泛存在是無助于解決熱寂說的問題的。

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