Saturday, February 2, 2013

广义相对论热力学 宇宙是一个系统且不存在系统之外。如根据普里高津的理论,因为无法与系统外有能量的交流。只能是某个支系统的有序,同时一定以另一个支系统的更无序为代价 理论的研究首先必须将其纳入黎曼空间

广义相对论的“缺失”



广义相对论的“缺失”
众所周知,广义相对论是研究空间、时间和引力的理论。
空间的均匀性对应的是动量守恒;空间的各向同性对应的是角动量守恒;时间的均匀性则对应能量守恒。有关空间和时间的特性似乎已经“囊括”了所有的守恒定律。但是时间还有一个特性那就是“单向性”,所谓时间“一去不复返”就是这个意思。这个单向性意味着什么呢?
物理定律一般都是用肯定的方式表达出来的,例如F=ma 。
另外少数定律则是用否定的方式表述,物体的速度不能超过光速。低温热源不能自动将热量传递给高温热源(热力学第二定律)。物体的降温不能达到绝对温度零度(热力学第三定律)。
物理过程分两大类:一类是可逆过程,另一类是不可逆过程。
热力学第二定律就是反映不可逆过程的规律的。不可逆过程意味着时间的不可逆转。热力学第二定律的不可逆性就可与时间的单向性挂起钩来。在所有物理理论中只有热力学涉及到时间的单向性。
广义相对论的研究如考虑时间的单向性,不能不考虑热力学!
热力学的研究自然离不开温度。
有关温度的讨论在狭义相对论阶段,爱因斯坦曾作过讨论。一个可逆系统的熵证明与参考系无关,即可逆过程的熵仍是不变量。但是在运动的参考系测得的温度比静止参考系的要低。
另外,在研究宇宙演化的过程中也有温度参与其事。
在R-W度规中,可以推出宇宙的尺度因子与时间的函数关系。根据宇宙膨胀是一个绝热过程,由此可推定绝对温度与尺度因子的关系。然后根据初始条件及当前的温度(3°K背景辐射)可推定当前的尺度因子的大小。再加上宇宙的“初始”条件。即可算出宇宙从爆炸到当前所需的时间,就是所谓的宇宙年龄。大约6×10^13秒。
氦元素能保持其稳定状态假定是温度T,那么由以上的关系可推定宇宙从初始高温降到温度T时,所需的时间理论推算约200秒左右。这是宇宙从以辐射为主的阶段演化到以物质为主的阶段的关键“时刻”。所谓“最初三分钟”即由此而来。
看来温度的介入还真有点“刮目相看”呢!以上相对论与热力学的不解之缘仅限于可逆过程。
广义相对论缺失的是什么呢?是不可逆物理过程的考虑。
引力不可屏蔽已经很奇妙,还有一个热现象也是不可屏蔽的!切莫小看热现象哦!
以恒星为例,恒星是靠着引力把物质凝聚在一起,又靠着热运动的排斥作用达到“平衡”的。否则恒星是无法稳定。
在广义相对论奇点附近是否会因引力和热取得某种平衡从而“避免”了奇点呢?
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,(这其实是热力学第三定律所不允许的)在不考虑热效应的情况下,得出了奇性定律。奇性被看作时间的“端点”,奇性的存在表明时间的有限性。时间有“开端”和“结束”。
最近的研究表明,热力学也许可以在广义相对论的避免奇点的问题上打开一条“血路”!
伦德勒(W.Rindler)曾经研究过平直闵可夫斯基时空中的一个坐标变换。该变换对应的是匀加速直线运动的参考系。(加速方向沿X方向)静止在该系的观察者实际测量加速度为b。
安鲁(W.G.Unruh)发现原本一无所有的闵氏时空,所有的惯性观察者均认为是真空,但是在其中作匀加速直线运动的观察者会发现自己周围充满了热辐射,其实测温度与固有加速度b成正比。(所谓安鲁效应)
当观察者向奇点进军的时候可以证明其加速度会变大,当加速度趋向无穷大,那么温度也势必趋向无穷大。是这样吗?
通常的第三定律可推广为: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。(可称为广义热力学第三定律)
显然以上观察者温度趋于无穷大情况是热力学第三定律所不允许的。广义热力学第三定律会阻止任何观察者到达“奇点”。“奇点”即可排除。由此可以推测热力学第三定律确保了时间是无限性,时间既没有开端也没有结束。
广义相对论与热力学的融合是件颇为复杂的研究。
不可逆过程也可以从系统的有序程度加以考察。从有序到无序是一个不可逆的过程,即无序自动到有序是不可能的。尽管这可以和时间的单向性挂钩。但是从宇宙演化的角度看,宇宙从绝对无序的混沌到物质为主的时代,进而到生命的产生等等无不是从相对无序到相对有序的过程,此阶段时间的流向如何考虑?是否要借助普里高津的理论?……
热力学第一定律是广义的能量守恒,与时间的均匀性有关。
热力学第二定律反映的不可逆过程,与时间的单向性有关。
热力学第三定律则意味着时间是没有开端和结束的,即与时间的无限性有关。从而避免了广义相对论的奇点!
广义相对论的研究离不开时间,又怎能离开热力学?同时热力学也不应该游离于广义相对论之外。
牛顿力学+电磁学 → 狭义相对论。
狭义相对论+引力 → 广义相对论。
广义相对论+热力学 → ?????
给“广义相对论”加加“温”任何?
“革命尚未成功,同志仍需努力”!
  • 1楼
  • 2009-08-02 15:56
好贴。
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  • 2楼
  • 2009-08-02 16:45
广义相对论的场方程本质上是绝对零度的方程,
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不知什么意思?

很多观点不敢苟同,建议LZ看看最近刘辽教授出的一本书---【黑洞与时间的性质】。
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  • 3楼
  • 2009-08-02 18:03
本帖的基本思想来自下列参考文献:
爱因斯坦文集(第二卷)
“相对论天体物理的基本概念”
“黑洞与时间的性质”
如果有兴趣者可看原著一睹风采!
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  • 4楼
  • 2009-08-03 19:18
呵呵,LZ果然是根据【黑洞与时间的性质】中最后的一节内容写的,不知其它地方有无类似的观点。说实话,我看了那本书最后的内容,有很多意思不太明白。LZ有时间的话给科普一下。
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  • 5楼
  • 2009-08-04 11:49
吧友118.132.30.*
问一个问题:宇宙最初的有序是怎么来的?不会是上帝造成的吧?
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  • 6楼
  • 2009-08-04 16:18
我保持怀疑
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  • 7楼
  • 2009-08-04 21:46
宇宙的演化一开始从极度无序到相对有序是一个不争的事实。
宇宙是一个系统且不存在系统之外。如根据普里高津的理论,因为无法与系统外有能量的交流。只能是某个支系统的有序,同时一定以另一个支系统的更无序为代价。
当然也可以用“自组织理论”来加以研究。
以上理论的研究首先必须将其纳入黎曼空间。
如果以上无济于事的话,只有上帝知道啦!
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  • 8楼
  • 2009-08-06 20:21
宇宙的演化一开始从极度无序到相对有序是一个不争的事实。
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而热力学第二定律则暗示着宇宙在大爆炸的初期是一个低熵的时刻。
宇宙的演化一方面是“从极度无序到相对有序”,另一方面却是“大爆炸的初期是一个低熵的时刻,即从相对有序向着无序的方向发展。”
应该说,已经构成了矛盾。
如何解决,只有上帝知道啦!

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