宇宙膨胀与热力学定律

戴榕菁

科学界有一些碰不得的筋，一碰就急，一急就什么招数都会用出来，抓根稻草都会当作大树桩，把逻辑丢在脑后。其中有三根最典型，其中一根是所谓的信息传播速度不能超光速。当发现量子纠缠速度会超出光速时，就有人迫不及待地跳出来说，那并不代表量子纠缠可以以超光速传播信息的，并给出一大堆理由来，基本上说接收端并无法通过对纠缠的量子进行测量来了解发送端发出的信息，而必须通过其它途径与发送端核实后才能确定发送端发出的信息[1]。我在网上看到不止一两个物理学家津津乐道地用这样的逻辑进行科普来说明量子纠缠并没有实现超光速传递信息。而他们这样说的终极目的是要让世人接受这样的结论：量子纠缠并没有打破爱因斯坦立下的信息不能超光速传递的禁戒。他们中的有些人干脆明确地给出这样的结论，而另一些人则既不给你明确地说量子纠缠打破了爱因斯坦立下的光速极限，也不给出个没有打破光速极限的说法，而是玩犹抱琵琶半遮面的游戏，先是说“相互纠缠的量子确实可以超光速相互影响使得有人认为我们可以通过量子纠缠来超光速地传递信息从而打破了爱因斯坦立下的光速极限”，然后话锋一转告诉你“但实际上我们做不到”，让人们听了似乎是否认了爱因斯坦立下的光速极限可以被量子缠绕打破，又肯定量子纠缠是可以超光速的，最后达到让你发懵的效果。

这里的问题在于那根本就是两码子事。纠缠的量子彼此之间的影响速度是否违背了爱因斯坦立下的光速极限和人类是否能通过这种相互影响来传递信息是两个完全不同的议题。

但今天的物理学界就偏喜欢这么用人类无法通过量子纠缠来传递信息这一点来打马虎眼对量子纠缠打破了爱因斯坦立下的光速极限这点进行否认。不是一两个人这么干，而是大家都这么干------原因很简单：那是一根碰不得的筋，所以他们不惜用语言学的逻辑来影响物理学的自然逻辑。用人类彼此之间相互传递的“信息”来给有关量子之间传递的“信息”的特征打马虎眼。科学界一旦被碰到碰不得的筋的时候们就是这么倔。

但与另外两根碰不得的筋相比，上面的光速极限的那根筋又算不得什么了。在光速极限的问题上科学界还会费尽心思地搞出上面那种犹抱琵琶半遮面的花头来维护那个筋，对另外两根筋，那是根本明确告诉你：千万别碰，这不是你能碰得起的。

那两根筋的一根叫做热力学第二定律，另一根叫做能量守恒，也被称作热力学第一定律。

加州理工的物理学家和宇宙学家Sean Carroll在十多年前[2]就指出宇宙膨胀使得能量不守恒。他指出宇宙膨胀从两个方面导致能量不守恒。其一是，宇宙膨胀的结果导致光子的能量因为红移而损失，其二是作为宇宙膨胀的原因的所谓的暗能量是不断增长的。他指出这是一百来年前就已经明确了的知识，而且说人们通常似乎可以接受第一个原因而很难接受第二个原因。

实际上，今天的科学界基本上不只是不接受那第二种不守恒，而是那两种不守恒都不接受。只不过对于第一种不守恒他们通常采取的措施是假装没看见，既不去承认它也不去否认它，只是一如既往地说声称能量是绝对守恒地；而对于第二种不守恒，他们就耐不住性子了，非要跳出来理论一下来强调暗能量也没有打破能量守恒的定律。关键是他们的解释又是让人听了哭笑不得的捞稻草的行为。他们会告诉你：暗能量的增加其实没有打破能量守恒，因为当宇宙膨胀时，重力场中的负能量被释放出来，而这个负能量可以抵消增长的暗能量。但这样一来他们就不得不面对什么是重力场的负能量的问题，这时好笑的就来了，他们居然把重力势能的解释作为重力场负能量，因此膨胀导致重力势能的增加就是所谓的重力场的负能量的增加[3]。

这又是哪儿对哪儿呀！且不说用只占宇宙总能量的5%的现在已知的物质的重力场的势能来解释占宇宙总能量70%的暗能量的增长是否有失平衡，就以重力势能与距离成反比而暗能量被认为是均匀分布这一点来说用重力势能的负增长来解释暗能量满足能量守恒也说不过去呀。但这种混乱的逻辑还确实能唬人，连Sean Carroll在他的文章的结尾都说他可以理解人们的那种解释只不过觉得没必要那么难为自己。不知道他这么说是为了不得罪同行而虚与委蛇的客套，还是真的也被那种奇谈怪论给搞懵了。

但不管怎么说毕竟科学界还是有象Sean Carroll（还有Sabine  Hosenfelder）这样一些人敢出来说宇宙膨胀已经打破了热力学第一定律，也就是能量守恒定律了。但另一根更碰不得的筋似乎还没有人敢碰，就是热力学第二定律。但我们却遇到一个奇怪的名称叫做负压力。我最初听到这个名称还以为是负压病房的那个小于周围气压的负压力的意思，也就是说对周围的物体产生吸力的那种负压力呢。后来发现，恰恰相反，这种负压力不但不产生吸力，而且还产生大大的推力，以至于把整个宇宙推得加速膨胀。

现在问题来了，根据热力学原理，当一个热力学系统在恒温下对外膨胀时，它对外做功为：

dW = pdv,

其中dW是所作的功，p是压力，dv是体积膨胀值。而这里反映热力学第二定律的一个结论是：上述膨胀的结果是该系统的压力p会减小。但是，当宇宙在暗能量的作用下进行膨胀时，那个负压力却是不变的。从这个意义上来说，它就已经违背了热力学第二定律。

迄今为止，虽然有物理学家在大费周章地推导宇宙膨胀下的热力学体系，却没有人明确说宇宙膨胀会导致热力学第二定律也出现状况。但问题是，并没有人来解释应该如何面对暗能量的负压力对外做功却不减小这个现象与热力学第二定律至少表面看起来矛盾的这个问题。看来在这个问题上大家又打算假装没看见了。

对了，物理学界还整出了一个莫名其妙的说法：1）我们可以算出整个宇宙比我们的可观测宇宙大出多少来；2）宇宙其实是从无限大膨胀到无限大。。。。。。这又是哪儿对哪儿呀？？？如果宇宙其实是从无限大膨胀到无限大，你又怎么能算出整个宇宙的大小呢？

总之，科学界有很多碰不得的筋。。。你一碰，他们就急，他们一急就会随便捞根稻草当树桩，整出些你搞不懂他们说什么的有的没的。。。。。。不是因为所涉及的数学太复杂而搞不懂（尽管那里的数学确实是不容易搞懂），而是因为逻辑上莫名其妙。。。。。。