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[转载]引力、热与时间

已有 241 次阅读 2021-9-16 22:01 |个人分类:问题讨论|系统分类:观点评述|文章来源:转载

——把时间的流逝性全面渗透进物理学的各个领域,很可能是新变革的起点。

在之前的研究中,我们注意到,物理学中有两个特别值得注意的领域,一个是广义相对论,一个是热力学。

除去广义相对论之外的所有物理领域(包括热力学),都把时空看做不依赖于物质及其运动的背景和舞台。时空永远是平直的,像个空架子,不受物质和运动的影响。所有的物质都在平直不变的时空背景下运动,展现自己的规律。只有广义相对论中,才认为时空背景不能脱离物质和运动,它们之间相互影响,物质和运动会使时空弯曲。换句话说,只有广义相对论中的时空是弯曲的,其他所有物理领域中的时空都是平直的。

另一方面,除去热力学之外的所有物理领域(包括广义相对论)中的理论,都不认为时间有方向,而都是时间可逆的、时间反演成立的理论,都是绝对零度的理论。只有热力学,它的第二定律显示出时间的箭头,认为时间有方向,认为真实的物理过程应该是不可逆的;它的第三定律告诉我们,真实的物理过程不应该处在绝对零度。

这两个具有鲜明特色的理论,其实存在着本质的联系[1]。

物质的所有属性中,只有“热”和“引力”(时空弯曲)两种属性是万有的,任何物质形态都有这两种属性。它们不像电磁作用,只出现在电磁体之间;不像强作用,只出现在强子之间;也不像弱作用,只出现在大部分微观粒子之间。

万有引力和热运动都不可屏蔽,所谓的绝热壁只不过是一种想象的东西。

恒星和星系之所以能够存在,是靠着万有引力把物质凝聚在一起,又靠着热运动的排斥作用,而使物质不至于在引力作用下无限制地塌缩。热与引力,是维持恒星和星系存在的一对矛盾,一个起排斥作用,另一个起吸引作用,最后达到一定的平衡。特别值得注意的是,当通常的热运动停止下来,星体只剩下万有引力的吸引作用而彻底塌缩时,形成的黑洞(纯粹万有引力效应的产物)居然会有温度的出现。前段时间的讨论又表明,万有引力作用发展到极端而形成的奇点,很可能与违背热力学第三定律、完全不考虑热效应有关。可见,热与引力具有深刻的本质联系。不能把引力与电磁力、强力、弱力等同看待,引力不是真正的力,它不仅是时空弯曲的表现,而且与热不可分割。

因此我们认为,任何不考虑“热”的引力研究都会碰到不可逾越的困难。广义相对论中的奇点困难就是其中之一。广义相对论的场方程本质上是绝对零度的方程。在不考虑热效应的情况下,得出了奇性定理,导致了严重的奇点困难[2]。广义相对论中的另一个基本困难,引力场量子化的困难,也可能与不考虑“热”有关。如果讨论有限温度下的引力理论,也许能同时克服奇点困难和引力场量子化中碰到的困难。

另一方面,狭义相对论的热力学理论至今存在问题,更不用说广义相对论的热力学了。一个匀速运动的物体,与静止的同种物体相比,其温度升高、降低还是不变?现在居然有三种答案,而且谁也说服不了谁。实际上,热学理论至今未能纳入相对论的框架。爱因斯坦在1905年之后,碰到了万有引力定律纳不进相对论框架的困难,今天我们碰到了类似的困难,并且也许是更大的困难。

广义相对论告诉我们,引力与时间有关,上面又谈到引力与热有关,热与时间有关。于是,我们似乎朦胧地看到了一个重要的三角关系。在我们之前的工作中,已经研究了热力学定律和时间属性之间深刻而本质的联系。

人们早已知道,热力学第二定律显示出时间箭头,指出时间是有方向的。人们也早已知道,能量守恒是时间均匀性的表现。热力学第一定律,就是能量守恒定律,它告诉我们,时间是均匀流逝的。

在我们过去的工作[3]中,把热力学第三定律推广为包括温度上限的形式,即广义热力学第三定律,它告诉我们温度的定义域是一个“开域”,不包括上限和下限,在通常的热力学系统中,此定律可以表述为:不能通过有限次操作,把系统的温度降低到绝对零度或升高到无穷大。对于负温系统,它就是通常的表述形式:不能通过有限次操作,把系统的温度降低到 [公式] 或升高到 [公式] 。

我们指出,奇性定理很可能是在违背广义热力学第三定律的情况下证明的。我们有理由推测,广义热力学第三定律会阻止时空出现奇异性(奇点和奇环)。第三定律不仅会禁止裸奇点出现(宇宙监察原理),而且会干脆禁止任何奇异性出现。

奇点被看做时间的“端点”(此端点本身不属于时间)。奇点的存在表明时间的有限性,有一个有限的开始,或有一个有限的结束,或者既有有限的开始,又有有限的结束。广义热力学第三定律排除奇点,就可以保证时间的无限性,无始无终。所以可以推测,热力学第三定律表明,时间是无限的,既没有开始,又没有结束。

在过去的工作[4]中,我们还指出了热平衡的传递性等价于钟速同步的传递性。阐述热平衡传递性的热力学第零定律,原意是告诉人们可以定义统一的温度概念,现在我们指出,它也意味着可以定义统一的“钟速”概念。其本质,就是在时空中定义统一的时间。因此可以说,热力学第零定律表明,时间是可以在时空中统一定义的。即,第零定律要求时空中至少存在一个可以统一定义钟速(统一定义时间)的坐标系。

考虑钟速同步不具有传递性的时空,以及具有奇异性的时空,如果认为这两类时空都是现实存在的,那么,热力学定律在这类怪异的时空中将不成立,或者需要修改。

我们认为,更有可能的是,热力学定律将排除上述怪异时空的存在,也就是说,上述怪异时空是非物理的。

我们看到,引力、热和时间之间存在着本质联系,同时看到,热力学的四条定律都与时间的本性有关:第零定律表明,时间是可以定义的;第一定律表明,时间是均匀的;第二定律表明,时间是有方向的(即时间是流逝的);第三定律表明,时间是无穷无尽的,既没有开始,又没有结束。

经过一个世纪的努力,当又一个新世纪来临之际,物理学似乎再次处于重大变革的前夜。建立有限温度的引力理论,搞清楚热、时间与引力之间的三角关系,把时间的流逝性全面渗透进物理学的各个领域,很可能是新变革的起点。


[1] 实际上,在霍金辐射的提出,显示黑洞也具有热力学特征之后,很多物理学家(比如著名的Susskind)研究了时空弯曲与热效应的关系,特别是波戈留夫变换(Bogoliubov transformation)的提出,把一个平直的、有热力学时空和一个弯曲、但没有热力学的时空联系起来,更加揭示了“真空其实是一种热平衡态”的本质,以及暗示着引力场是形变的真空场。可以说,自此引力和热力学就结下了不解之缘。

[2] 刘辽、赵峥等人曾对Penrose与Hawking等人提出的奇性定理表示过公开的反对。Penrose和Hawking主要是应用整体微分几何技术进行的证明,而赵峥等人也同样利用整体微分几何技术进行了反驳,详见“赵峥, 田桂花(2003). 质疑彭若斯与霍金的奇点定理”,“Tian Guihua, Zhao Zheng, Liang Canbin(2002). Proper acceleration of a null geodesic in curved spacetime“。另,刘辽关于Hawking辐射的讨论可见“赵峥, 桂元星, 刘辽(1983). 黑洞热辐射和内禀奇异区的温度”,“Liu Liao and Zhao Zheng(1983). ON THE HAWKING RADIATION IN A STATIONARY RIEMANN SPACE-TIME”等等一系列文章。

[3] 主要是指“赵峥(1997). 第三定律与时间的端点”相关的一系列文章。

[4] 主要是指“赵峥,裴寿镛,刘辽(1999). 钟速同步的传递性等价于热力学第零定律”,“Zhao Zheng, Tian Guihua, Liu Liao, Gao Sijie(2006). How to define the equality of durations in measurement of time”等一系列文章。





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