如果宇宙熵增热寂不可逆转，那曾经形成之初的有序（低熵状态）怎么来的？ 第1页

居然在知乎上被问到了罗杰·彭罗斯所谓“物理学上最大的谜”（出自《宇宙新物理学中的时尚、信仰和幻想》）

1 初始熵问题

首先来看宇宙初始低熵的假设是否成立。

按照热力学第二定律，宇宙的熵是始终增加的，这也就是常说的热力学时间箭头。由此自然可以倒推得到诞生之初宇宙的熵是很低的，这在物理学里被称为过去假设。

但是，现在观察到的宇宙微波背景辐射在平均温度2.7K左右上下浮动只有十万分之一，非常接近于稳定态黑体辐射波谱，这显示宇宙在形成之初是很接近于热和化学平衡、熵达到最高值的状态。这一矛盾即彭罗斯所谓的“最大谜团”，被称为初始熵问题

2 引力熵

彭罗斯本人于1979年对这一问题提出了解决的方案。在人们熟悉的热力学熵之上引入了引力熵的概念。

在热力学主导的系统内，当粒子高度集中时，系统熵很低，随着粒子逐渐均匀扩散开来，热力熵也越来越高，这和我们最常理解的熵切合。彭罗斯提出在引力主导的系统内，情况正好相反，当物质均匀分布时，引力熵是最低的，但是随着物质越来越集中，引力熵就会越来越高，最终黑洞的引力熵是极为巨大的。后来，霍金证明同等大小的物体中，没有物质的熵可以比黑洞大。所以现在宇宙中虽然存在大量有序的星系、恒星、行星乃至低熵体生命，但这些在质量上来说不过是九牛一毛。宇宙整体熵的最大贡献者就是大量的超巨黑洞。目前尚未发现能完整表达引力熵演变的方程。

回到初始熵问题，引入引力熵后，这个矛盾就很好解释了。微波背景辐射最大熵只是热力熵的理论极限，实际上加入引力熵后熵的最大值会显著提高（注意熵是否会有最大值，即热寂说是否成立在物理学中还很有争议，不过在此不做讨论），那么实际演化变为下图。

3 为什么宇宙初始是低熵态？

解释了初始熵理论之后，问题就变成了为什么宇宙初始的熵这么低？现在比较流行的有两套理论。

3.1 暴胀理论

内事不决问波函，外事不决问暴胀

说句玩笑话，在量子物理中，凡是反常识搞不懂的东西，大多都用波函数暴力计算诠释。而在宇宙学里，凡是说不清楚的东西也大多可以一律丢锅给大暴胀。大概模式是：“暴胀时期内现有物理学不适用……所以如何如何……”

当然，我们对于暴胀理论的认识在最近几十年有很大的增长，它也从1980年发明以来从一个边缘理论逐渐变成了物理界的主流认识，但是对于暴胀的理解今天还很初步，特别是其中的再加热步骤。根据这一理论预测，在暴胀时期再加热步骤大量能量在空间形成均匀的相对论粒子，产生极低的引力熵初始态。讽刺的是，彭罗斯本人是拒绝接受暴胀论的。

暴胀理论的最大问题在于它并没有完全回答问题，因为暴胀发生需要高度特定的宇宙初始参数。人们完全可以接着问，为什么宇宙初始参数这么“不自然”，正好触发暴胀形成极低引力熵初始状态？因此，有些物理学家提出了一个更为“自然”的理论。

3.2 平衡态波动

在后波美拉尼亚有座钻石山，这座山有两英里高，两英里宽，两英里深；每隔一百年有一只鸟飞来，用它的嘴来啄山，等整个山都被啄掉时，永恒的第一秒就结束了

平衡态理论最早来源于鼎鼎大名的玻尔兹曼，他提出宇宙不过是在熵已经达到最大的背景之下昙花一现的局部低熵波动。

举个例子，房间里所有的空气分子都在随机移动，会不会所有分子都正好移到房间左半，而右半变为真空呢？当然，这样的几率极低，低到不可估计。但是如果给予无穷无尽的时间会怎样？会不会有那么一瞬间这样的情况发生了？从统计学的角度来看只要时间无限，不为零几率的事件发生的概率总会趋于一，而熵只不过是概率的另一种说法罢了。

这么看来，宇宙一直以最高熵的状态处于热寂，但是随机的波动无处不在。在某个瞬间，在宇宙的某个局部，熵随机浮动到较低的状态，并很快恢复到最高熵的常态。那个瞬间、那个局部就是我们所能理解的全部“宇宙”。

当然，这个理论自从提出后就受到很多质疑。鼎鼎大名的费曼和保罗·戴维斯都曾亲自表示过不同意这一观点。

这一理论最大的问题在于它有很强的人择论意味。原则上，只要波动制造出足够一个太阳系容身的泡沫，那么里面就可以演化出人类并提出初始低熵疑问。而我们今天提出这个疑问时能够观测到的宇宙是非常浩瀚的，而且到目前还没有发现宇宙结构上不同的“背景”区域。那么我们是不是很“幸运”地正好生活在一个非常大尺度的波动内呢？因为在平衡态周围随机产生小波动的概率比大波动的概率要大得多得多，我们正好处于这样一个大波动中从概率上来说实在是太碰巧了。

到底哪一种假说才是正确的？现在当然还无从知晓，关键可能还在高能粒子物理中，如果我们能更好地理解普朗克尺度下的物理学，也许能对暴胀模型提出更全面的解释，并稍稍推开宇宙起源的门。

我记得之前在知乎看过有篇科普，大概内容是某些类型的量子纠缠结构可以“驱动”局部的熵减少，一但有一个生成就可以阻止全面热寂，而其生成几乎是必然的。但是刚才找了找，找不到原文章了。。记不清是不是 @傅铁强 @qfzklm @贾明子 三位大神谁写的。不过我也觉得从量子纠缠的方面去解释宇宙整体的熵的问题本身就太数学，难以预测出可验证的现象，不太靠谱。

我个人也觉得，如果宇宙早期涨落刚好生成了某种近平衡的偏态结构，而这个结构可以驱动例如暴胀这样现象的发生，那么从这个近平衡结构开始完全可能自发扩大为像我们所在可观测宇宙这样远平衡的大尺度结构。

霍金大神去世前最后一篇论文中与合作者提出认为宇宙早期的一些物理量可以被证明是不受随机涨落影响的，而是在某种物理性的规律下被确定的，永恒暴胀产生的不同区域的物理参数应该是相似的，从而可以否定弱人择原理而把哥白尼原理宇宙在物理定律上的各向同性扩大到暴胀前的宇宙，如果霍金这个假设可以被验证，或许从中也可以发现并完善某个近平衡态自发扩展为远平衡态的机制，从最近的一些新发表的论文来看(我也看不懂)，似乎通过ds-CFT对应(不是Ads-CFT)作为数学工具研究中微子质量和手性的关系与早期宇宙的联系可能是一个突破口。

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  jia-ming-zi-34 网友的相关建议: 
      

可以看看王小波的《青铜时代》，虽然王小波不在了，但是也算是现代的文学作品吧。

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