高等工程熱力學(xué)-第六講-耗散結(jié)構(gòu)理論課件

高等工程熱力學(xué)第六講耗散結(jié)構(gòu)理論高等工程熱力學(xué)第六講1第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論一、問(wèn)題的提出

無(wú)論是經(jīng)典力學(xué)、量子力學(xué)，還是相對(duì)論，時(shí)間只是外部的一個(gè)參量，沒(méi)有任何東西能夠區(qū)別過(guò)去和將來(lái)，時(shí)間概念與我們所處的三維空間一樣，僅被看做描述物理過(guò)程的時(shí)空行為的第四個(gè)坐標(biāo)。

在經(jīng)典力學(xué)，量子力學(xué)和相對(duì)論力學(xué)中，它們的基本方程都是時(shí)間反演對(duì)稱的。

第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論一、問(wèn)題的提出

無(wú)論是經(jīng)典21.傳統(tǒng)力學(xué)給出了一個(gè)可逆的、對(duì)稱的物理圖像。然而，熱力學(xué)則提供了一個(gè)與之不同的物理圖像。熱力學(xué)第二定律表明：一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際宏觀過(guò)程都不是可逆的。于是，時(shí)間的不可逆性和不對(duì)稱性就進(jìn)入了物理學(xué)研究范圍。其實(shí)，熱力學(xué)給我們提供了一幅帶有“時(shí)間箭頭”的物理圖像。

第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論1.傳統(tǒng)力學(xué)給出了一個(gè)可逆的、對(duì)稱的物理圖像。然32.由克勞修斯從熱力學(xué)第二定律引出的結(jié)論與達(dá)爾文創(chuàng)立的生物進(jìn)化論存在著尖銳的矛盾。熱力學(xué)第二定律告訴人們：物質(zhì)的演化總是朝熵增加、向混亂的方向進(jìn)行。可是，進(jìn)化論則告訴我們：生物的進(jìn)化總是由低級(jí)到高級(jí)，朝熵減少、向有序的方向進(jìn)行。前者給出了“宇宙熱寂說(shuō)”的結(jié)論，即退化的時(shí)間箭頭，而后者則與之相反，給出了進(jìn)化的時(shí)間箭頭。

第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論2.由克勞修斯從熱力學(xué)第二定律引出的結(jié)4

3.自然界到底是往無(wú)序還是向有序的方向發(fā)展變化呢？要把熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，熱力學(xué)與生物學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，就必須研究自然界中存在的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)、生物和生命現(xiàn)象，必須朝著更為普遍的熱力學(xué)理論方向發(fā)展。他堅(jiān)信，在一定條件下，不可逆過(guò)程會(huì)產(chǎn)生令人討厭的消極作用，但在另一類條件下，對(duì)不可逆過(guò)程的研究可能會(huì)帶來(lái)理論和實(shí)踐上具有重大意義的結(jié)果。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論3.自然界到底是往無(wú)序還是向有序的方向發(fā)展變化呢5二、自組織的有序現(xiàn)象自組織現(xiàn)象是指自然界中自發(fā)形成的宏觀有序現(xiàn)象。在自然界中這種現(xiàn)象是大量存在的。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論貝納爾對(duì)流圖1900年法國(guó)學(xué)者貝納爾觀察到，如果在水平容器內(nèi)放一薄層液體，從底部均勻加熱，當(dāng)上下溫差達(dá)到一定時(shí)，液體中突現(xiàn)規(guī)則的六邊形圖案。二、自組織的有序現(xiàn)象第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論貝納爾對(duì)流圖19006化學(xué)振蕩溴酸鉀、丙二酸、硫酸鈰的混合物溶解于硫酸中，加以攪拌，顏色會(huì)在紅藍(lán)兩色之間振蕩第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論化學(xué)振蕩溴酸鉀、丙二酸、硫酸鈰的混合物溶解于7在未攪拌前，可以看到環(huán)繞一個(gè)個(gè)起搏中心的波狀靶圖化學(xué)靶圖

第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論在未攪拌前，可以看到環(huán)繞一個(gè)個(gè)起搏中心的波狀靶圖化學(xué)靶圖8

化學(xué)螺旋波1971發(fā)現(xiàn)了化學(xué)螺旋波第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論化學(xué)螺旋波1971發(fā)現(xiàn)了化學(xué)螺旋波第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論9三、普利高津耗散結(jié)構(gòu)理論

一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放系統(tǒng)，無(wú)論是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物學(xué)的，還是社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件變化過(guò)渡到一定程度，系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量變化過(guò)渡到一個(gè)臨界值時(shí)，經(jīng)過(guò)漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變。該系統(tǒng)將會(huì)由原來(lái)的混亂無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。

普利高津于1997年榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論三、普利高津耗散結(jié)構(gòu)理論第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論10這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的、穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”。要理解耗散結(jié)構(gòu)理論，關(guān)鍵是弄清楚如下幾個(gè)概念：遠(yuǎn)離平衡態(tài)、非線性、開(kāi)放系統(tǒng)、漲落、突變。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的、穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于11（1）遠(yuǎn)離平衡態(tài)

遠(yuǎn)離平衡態(tài)是相對(duì)于平衡態(tài)和近平衡態(tài)而言的。近平衡態(tài)是指系統(tǒng)處于離平衡態(tài)不遠(yuǎn)的線性區(qū)它遵守昂薩格(Onsager)倒易關(guān)系和最小熵產(chǎn)生原理。當(dāng)給定的邊界條件阻止系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)就落入最小耗散(最小熵產(chǎn)生)的狀態(tài)。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論（1）遠(yuǎn)離平衡態(tài)第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論12

遠(yuǎn)離平衡態(tài)是指系統(tǒng)內(nèi)的物理性質(zhì)極不均勻的狀態(tài)，這時(shí)其熱力學(xué)行為與用最小熵產(chǎn)生原理所預(yù)言的行為相比，可能頗為不同，甚至實(shí)際上完全相反，正如耗散結(jié)構(gòu)理論所指出的，系統(tǒng)走向一個(gè)高熵產(chǎn)生的、宏觀上有序的狀態(tài)。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論遠(yuǎn)離平衡態(tài)是指系統(tǒng)內(nèi)的物理性質(zhì)極不13

(2)非線性

系統(tǒng)產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)機(jī)制，正是子系統(tǒng)間的非線性相互作用，在臨界點(diǎn)處，非線性機(jī)制放大微漲落為巨漲落。在控制參數(shù)越過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)，非線性機(jī)制對(duì)漲落產(chǎn)生抑制作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定到新的耗散結(jié)構(gòu)分支上。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論(2)非線性第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論14第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論

(3)開(kāi)放系統(tǒng)

熱力學(xué)第二定律告訴我們，一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵一定會(huì)隨時(shí)間增大，熵達(dá)到極大值，系統(tǒng)達(dá)到最無(wú)序的平衡態(tài)，所以孤立系統(tǒng)絕不會(huì)出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)。那么開(kāi)放系統(tǒng)為什么會(huì)出現(xiàn)本質(zhì)上不同于孤立系統(tǒng)的行為呢？其實(shí)，在開(kāi)放的條件下，系統(tǒng)的熵增量dS是由系統(tǒng)與外界的熵交換和系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)生兩部分組成的，即：第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論(3)開(kāi)放系統(tǒng)15

熱力學(xué)第二定律只要求系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)非負(fù)，然而外界給系統(tǒng)注入的熵流可為正、零或負(fù)，這根據(jù)系統(tǒng)與外界的相互作用而定，在熵流小于零的情況下，只要這個(gè)負(fù)熵流足夠強(qiáng)，它就除了抵消掉系統(tǒng)內(nèi)部的熵產(chǎn)外，還能使系統(tǒng)的總熵增量dS為負(fù)，總熵S減小，從而使系統(tǒng)進(jìn)入相對(duì)有序的狀態(tài)。所以對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可以從無(wú)序進(jìn)入有序的耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論熱力學(xué)第二定律只要求系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)非負(fù)，然而外界給16

(4)漲落

一個(gè)由大量子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)，其可測(cè)的宏觀量是眾多子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng)的反映。但系統(tǒng)在每一時(shí)刻的實(shí)際測(cè)度并不都精確地處于這些平均值上，而是或多或少有些偏差，這些偏差就叫漲落，漲落是偶然的、雜亂無(wú)章的、隨機(jī)的。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論(4)漲落第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論17

在正常情況下，由于熱力學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于其子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常大，這時(shí)漲落相對(duì)于平均值是很小的，即使偶爾有大的漲落也會(huì)立即耗散掉，系統(tǒng)總要回到平均值附近，這些漲落不會(huì)對(duì)宏觀的實(shí)際測(cè)量產(chǎn)生影響，因而可以被忽略掉。然而，在臨界點(diǎn)(即所謂閾值)附近，情況就大不相同了，這時(shí)漲落可能不自生自滅，而是被不穩(wěn)定的系統(tǒng)放大，最后促使系統(tǒng)達(dá)到新的宏觀態(tài)。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論在正常情況下，由于熱力學(xué)18

當(dāng)在臨界點(diǎn)處系統(tǒng)內(nèi)部的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)作用產(chǎn)生相干運(yùn)動(dòng)時(shí)，反映系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的非線性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同結(jié)果之間進(jìn)行選擇的問(wèn)題，在這里瞬間的漲落和擾動(dòng)造成的偶然性將支配這種選擇方式，所以普里高津提出漲落導(dǎo)致有序的論斷，它明確地說(shuō)明了在非平衡系統(tǒng)具有了形成有序結(jié)構(gòu)的宏觀條件后，漲落對(duì)實(shí)現(xiàn)某種序所起的決定作用。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論

當(dāng)在臨界點(diǎn)處系統(tǒng)內(nèi)部的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)作用產(chǎn)生相干運(yùn)動(dòng)19

(5)突變

閾值即臨界值對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)的變化有著根本的意義。在控制參數(shù)越過(guò)臨界值時(shí)，原來(lái)的熱力學(xué)分支失去了穩(wěn)定性，同時(shí)產(chǎn)生了新的穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支，在這一過(guò)程中系統(tǒng)從熱力學(xué)混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻暮纳⒔Y(jié)構(gòu)狀態(tài)，其間微小的漲落起到了關(guān)鍵的作用。這種在臨界點(diǎn)附近控制參數(shù)的微小改變導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)明顯的大幅度變化的現(xiàn)象，叫做突變。耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)都是以這種臨界點(diǎn)附近的突變方式實(shí)現(xiàn)的。

第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論(5)突變第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論20四形成耗散結(jié)構(gòu)的必要條件

耗散結(jié)構(gòu)需要系統(tǒng)不斷的與外界交換物質(zhì)和能量才能得以維持并保持一定的穩(wěn)定性，且不會(huì)因外界的微小擾動(dòng)而消失。

耗散結(jié)構(gòu)有四個(gè)條件：

（1）系統(tǒng)必須是開(kāi)放的，（2）系統(tǒng)必須處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)，（3）系統(tǒng)內(nèi)部存在非線性的相互作用，（4）漲落導(dǎo)致有序。第一節(jié)

耗散結(jié)構(gòu)理論四形成耗散結(jié)構(gòu)的必要條件

第一21第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境一生命系統(tǒng)是耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

人和動(dòng)物在出生、成長(zhǎng)、衰老、死亡；植物在出苗、開(kāi)花、結(jié)果、枯萎……隨著時(shí)間的流逝，自然界在發(fā)生著豐富多彩卻一去不復(fù)返的變化。長(zhǎng)期以來(lái)，人類搞清了許多復(fù)雜的自然現(xiàn)象，但對(duì)人體本身的變化卻一直迷惑不解；人體從細(xì)胞到胚胎，通過(guò)不斷提取營(yíng)養(yǎng)（大都是無(wú)序的小分子）變成了大分子有序的蛋白質(zhì)，這是一個(gè)從無(wú)序到有序的過(guò)程。食物中雜亂無(wú)序的小分子物質(zhì)是怎樣構(gòu)成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢等高度對(duì)稱的、結(jié)構(gòu)上有序、思維有序、功能有序的人體呢？第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境一生命系統(tǒng)是耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)22

長(zhǎng)期以來(lái)，宏觀時(shí)－空水平上的自發(fā)有序化現(xiàn)象（也稱為自組織現(xiàn)象）曾被認(rèn)為是生物體所特有的，是不能用物理－化學(xué)原理（特別是熱力學(xué)第二定律）解釋的。生物進(jìn)化論認(rèn)為，生物界的序是不斷增進(jìn)的，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由低級(jí)到高級(jí),是朝著高度有序的方向進(jìn)化的。生物系統(tǒng)顯然不是孤立系統(tǒng)，生物體一時(shí)一刻離不開(kāi)環(huán)境。生物體和環(huán)境之間一刻不停地發(fā)生著能量和物質(zhì)的交換，生物系統(tǒng)顯然屬于典型的開(kāi)放系統(tǒng)。第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)期以來(lái)，宏觀時(shí)－空水平上的自發(fā)有序化23

對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng)，伴隨著能量和物質(zhì)的交換，系統(tǒng)和環(huán)境間同時(shí)必定有熵的交換。一個(gè)系統(tǒng)總熵的變化取決于系統(tǒng)內(nèi)部的不可逆過(guò)程引起的熵產(chǎn)生和系統(tǒng)與環(huán)境間的交換過(guò)程引起的熵流這兩者貢獻(xiàn)之和，對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng),維持一個(gè)足夠強(qiáng)的負(fù)熵流，系統(tǒng)就可以維持在一個(gè)低熵的、比較有序的狀態(tài)。事實(shí)上，有機(jī)體要維持高度有序的生活狀態(tài)，需要不斷排出熵，正如E.薛定諤所論，它是“以負(fù)熵流為生”的。

第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng)，伴隨著能量和物質(zhì)的交換，系統(tǒng)和24生命物質(zhì)（碳水化合物、凈水）能量（化學(xué)能）負(fù)熵物質(zhì)（排泄物）能量（熱和功）正熵對(duì)于動(dòng)物，生命攸關(guān)的物質(zhì)是（1）低熵高能的食物－－典型代表是葡萄糖（2）低熵低能的凈液態(tài)水第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境二維持生命活動(dòng)負(fù)熵流生命物質(zhì)（碳水化合物、凈水）能量（化學(xué)能）負(fù)熵物質(zhì)（排泄物）25光合作用產(chǎn)生葡萄糖的化學(xué)反應(yīng)為反應(yīng)焓反應(yīng)熵第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境光合作用產(chǎn)生葡萄糖的化學(xué)反應(yīng)為反應(yīng)焓反應(yīng)熵第二節(jié)

生命與生態(tài)26液態(tài)水的作用，因有很高的汽化潛熱和溶解能力，蒸發(fā)和溶解廢物后變成高熵物質(zhì)排出體外，帶走大量的熵。第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境液態(tài)水的作用，因有很高的汽化潛熱和溶解能力，蒸發(fā)和溶解廢物后27太陽(yáng)輻射給地球的能量的34％被大氣層反射，只有66％被地球吸收地球也在對(duì)太空輻射能量，其值與接收的太陽(yáng)能相等第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境太陽(yáng)輻射給地球的能量的34％被大氣層反射，只有66％被地球吸28太陽(yáng)的溫度為6000K，可以推算出地球高層大氣的溫度為253K（－20攝氏度）左右，與實(shí)際情況極為接近。

隨太陽(yáng)能單位時(shí)間帶給地球的熵隨地球輻射能單位時(shí)間帶離地球的熵第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境太陽(yáng)的溫度為6000K，可以推算出地球高層大氣的溫度為25329地球收入的總熵為：這就是地球收到的負(fù)熵第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境地球收入的總熵為：這就是地球收到的負(fù)熵第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境30

由于地球收到的太陽(yáng)能中，絕大部分被大氣和海水吸收，真正被綠色植物用來(lái)進(jìn)行光合作用的僅為0.02％，光合作用提供的負(fù)熵流僅為：第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境由于地球收到的太陽(yáng)能中，絕大部分被大氣和海水吸31地球人口50億，每個(gè)成人每天食物需求量可折合成1kg葡萄糖。據(jù)此可推算出：全人類需求的負(fù)熵流第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境地球人口50億，每個(gè)成人每天食物需求量可折合成1kg葡萄糖。32

在有50億人口的今天，這一791倍率，不但不能令人樂(lè)觀，反而讓人類憂心重重。為什么？第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境在有50億人口的今天，這一791倍率，不但不能33（1）產(chǎn)生食物的光合作用僅僅只有很小的一部分；（2）地球食物鏈中，有四個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，每級(jí)的生態(tài)效率平均約為（10～15）％；（3）凈水資源問(wèn)題。地球村實(shí)在太小承受不了日益激增的人口重負(fù)第二節(jié)

生命與生態(tài)環(huán)境（1）產(chǎn)生食物的光合作用僅僅只有很小的一部分；第二節(jié)

生命與34麥克斯韋妖詰難麥克斯韋曾經(jīng)給熱力學(xué)出了一道難題：絕熱的剛性容器內(nèi)充滿了氣體，一小妖把守小門。她看到左邊有高速的分子過(guò)來(lái)就打開(kāi)小門，讓其跑到右邊，看到右邊有低速的分子過(guò)來(lái)就打開(kāi)小門，讓其跑到左邊。結(jié)果右邊溫度升高，左邊溫度降低，孤立系的熵減小。麥克斯韋妖詰難麥克斯韋曾經(jīng)給熱力學(xué)出了一道難題：絕熱的剛性容35麥克斯韋妖詰難

麥克斯韋妖必須有獲得和儲(chǔ)存分子運(yùn)動(dòng)信息的能力，否則，她不可能勝任該項(xiàng)工作。

比喻說(shuō)，要判斷分子的運(yùn)動(dòng)速度和方向，按照信息論，對(duì)于一個(gè)分子，要作出是否開(kāi)門的決定需要2bit的信息，因此在給系統(tǒng)輸入負(fù)熵。麥克斯韋妖詰難麥克斯韋妖必須有獲得和儲(chǔ)存分子運(yùn)36熱寂論的終結(jié)

克勞修斯1850年創(chuàng)立了熱力學(xué)，1854年他用熵的概念表述熱力學(xué)的第一和第二定律：（1）宇宙的能量是常數(shù)；（2）宇宙的熵不斷變大，最終將達(dá)到最大值。

熱寂論提出后，由于在感情上和理智上給人極大的沖擊，克勞溴斯被群起而攻，但都被克勞修斯駁倒。熱寂論的終結(jié)克勞修斯1850年創(chuàng)立了熱力學(xué)，137熱寂論的終結(jié)早期對(duì)熱寂論的批判：（1）1872年玻爾茲曼提出漲落理論，熱平衡態(tài)總是伴隨著漲落現(xiàn)象，后者是不服從第二定律的，宇宙在某個(gè)局部可以偶然出現(xiàn)巨大的漲落，在那里沒(méi)有熵增加，甚至在減少。（2）1875年恩格斯在《自然辯證法》中寫道：放射到太空中的熱一定有可能通過(guò)某種途徑變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)形式能夠重新集結(jié)和活動(dòng)起來(lái)。（3）宇宙是無(wú)限的，不是孤立系統(tǒng)。熱寂論的終結(jié)早期對(duì)熱寂論的批判：38熱寂論的終結(jié)現(xiàn)代批判：要點(diǎn)（1）宇宙在膨脹；（2）引力系統(tǒng)是具有負(fù)熱容的不穩(wěn)定系統(tǒng)。熱寂論的終結(jié)現(xiàn)代批判：39

宇宙在膨脹

宇宙是廣漠空間和其中存在的各種天體以及彌漫物質(zhì)的總稱。宇宙是物質(zhì)的世界。它處于不斷的運(yùn)動(dòng)和發(fā)展中，在空間上無(wú)邊無(wú)界，在時(shí)間上無(wú)始無(wú)終。熱寂論的終結(jié)宇宙在膨脹熱寂論的終結(jié)40觀測(cè)到一些云霧狀的天體，稱之為星云

熱寂論的終結(jié)觀測(cè)到一些云霧狀的天體，稱之為星云熱寂論的終結(jié)41熱寂論的終結(jié)

大爆炸宇宙學(xué)模型

20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離人們而去．1929年哈勃把這種退行紅移的測(cè)量與星系的距離的測(cè)量結(jié)合起來(lái)，總結(jié)出了著名的哈勃定律：星系的退行速度v與它的距離r成正比：

v＝Hr．

根據(jù)哈勃定律和后來(lái)更多天體紅移的測(cè)定，人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變稀。

熱寂論的終結(jié)大爆炸宇宙學(xué)模型

20世紀(jì)20年代，美國(guó)42一個(gè)天體的光譜向長(zhǎng)波（紅）端的位移叫做紅移。通常認(rèn)為它是多普勒效應(yīng)所致，即當(dāng)一個(gè)波源（光波或射電波）和一個(gè)觀測(cè)者互相快速運(yùn)動(dòng)時(shí)所造成的波長(zhǎng)變化

熱寂論的終結(jié)一個(gè)天體的光譜向長(zhǎng)波（紅）端的位移叫做紅移。通常認(rèn)為它是多普43熱寂論的終結(jié)

由此反推，宇宙的結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能是演化的產(chǎn)物．因而1948年伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙學(xué)模型：

宇宙是由甚早期溫度極高且密度極大，體積極小的物質(zhì)迅速膨脹形成的，這是一個(gè)由熱到冷、由密到稀，不斷膨脹的過(guò)程，尤如一次規(guī)模極其巨大的超級(jí)大爆炸．

熱寂論的終結(jié)由此反推，宇宙的結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不44

距今大約150億年前，今天所觀測(cè)到的全部物質(zhì)世界統(tǒng)統(tǒng)都集中在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，溫度極高，密度極大。

（1）大爆炸后0.01秒，宇宙的溫度約為1000億攝氏度，其物質(zhì)的主要成分為輕粒子(如光子、電子或中微子)，而質(zhì)子和中子只占十億分之一．所有這些粒子都處于熱平衡狀態(tài)．由于整個(gè)體系在快速膨脹，因此溫度很快下降．熱寂論的終結(jié)距今大約150億年前，今天所觀測(cè)到的全部物質(zhì)世45（2）大爆炸后13.8秒，宇宙溫度下降到30億攝氏度．這時(shí)質(zhì)子和中子已可形成像氘、氦那樣穩(wěn)定的原子核．化學(xué)元素從這時(shí)候開(kāi)始形成．（3）35分鐘后，宇宙溫度進(jìn)一步下降到3億攝氏度，核形成停止了．氦和自由質(zhì)子的質(zhì)量之比大致保持在0.22～0.28這一范圍內(nèi)．由于溫度還很高，質(zhì)子仍不能和電子結(jié)合起來(lái)形成中性原子．熱寂論的終結(jié)（2）大爆炸后13.8秒，宇宙溫度下降到30億攝氏度．這時(shí)質(zhì)46（4）中性原子大約是在大爆炸發(fā)生后30萬(wàn)年才開(kāi)始形成的，這時(shí)的溫度已降到3000攝氏度，化學(xué)結(jié)合作用已足以將絕大部分自由電子束縛在中性原子中．到這一階段，宇宙的主要成份是氣態(tài)物質(zhì)，隨著溫度的進(jìn)一步降低，它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體云，然后進(jìn)一步形成各種星系，形成恒星系統(tǒng)．這些恒星系統(tǒng)又經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化，才形成了我們今天所看到的宇宙．熱寂論的終結(jié)（4）中性原子大約是在大爆炸發(fā)生后30萬(wàn)年才開(kāi)始形成的，這時(shí)47

宇宙早期的溫度極高，今天的溫度已降到極低(絕對(duì)溫度３Ｋ)．如此巨大的溫度跨度是任何實(shí)驗(yàn)室條件都無(wú)法辦到的．但是人們可以把已有的關(guān)于粒子物理、核物理、等離子體物理以及其他的物理知識(shí)應(yīng)用于不同的宇宙演化階段來(lái)預(yù)言各種宇宙學(xué)效應(yīng)．例如，大爆炸核合成及微波背景輻射等．通過(guò)多年的天文觀測(cè)，這些預(yù)言已逐漸被證實(shí)，從而成為大爆炸宇宙模型的有力證據(jù)．

熱寂論的終結(jié)宇宙早期的溫度極高，今天的溫度已降到極低(絕對(duì)48哈勃定律

從哈勃定律得到啟示建立的大爆炸宇宙模型反過(guò)來(lái)可以預(yù)言這種定律．它已被28000個(gè)星系的紅移(或退行速度)與距離的關(guān)系的觀測(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí)．

熱寂論的終結(jié)哈勃定律

從哈勃定律得到啟示建立的大爆炸宇宙模型反49宇宙的年齡

大爆炸宇宙學(xué)預(yù)言宇宙今天的年齡約為150億年，宇宙中的結(jié)構(gòu)，例如恒星、星系等，都是在宇宙形成以后逐漸形成的，所以它們的年齡必須小于宇宙年齡．人們通過(guò)采用多種不同的方式來(lái)測(cè)定星系和恒星的年齡，例如測(cè)量放射性元素及其衰變產(chǎn)物在星體中的豐度等，最后得到的結(jié)果是完全一致的．即星系和恒星的年齡，都在幾十億年的數(shù)量級(jí)，這與宇宙的年齡是相容的．熱寂論的終結(jié)宇宙的年齡

大爆炸宇宙學(xué)預(yù)言宇宙今天的年齡約為1550大爆炸的核合成

大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為最初的宇宙中，既沒(méi)有分子，也沒(méi)有原子．第一批原子核是在大爆炸后１０－２秒到３分鐘這一時(shí)間內(nèi)，由質(zhì)子和中子組合而成并遺留至今的．因而預(yù)言了宇宙中輕元素的豐度(如氦的豐度約為２５％，氫的豐度約為７５％）．多年來(lái)人們對(duì)天體范圍內(nèi)的輕元素豐度的觀測(cè)結(jié)果，正好與大爆炸的預(yù)言相一致．從而成為大爆炸宇宙學(xué)的最早證據(jù)．熱寂論的終結(jié)大爆炸的核合成

大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為最初的宇宙中，既沒(méi)51微波背景輻射

大爆炸宇宙學(xué)模型認(rèn)為溫度降低到3