热力学第二定律的普适性与电磁波的关系

 

 

1．热力学第二定律的普适性

任何能量过程都存在能量耗散或不可逆性，这是热力学第二定律所规定的。尽管热力学第二定律的普适性一直受到怀疑甚至被批判，但人们怀疑和批判的理由显得极其不充分。而人类观察到的所有物理现象都遵循第二定律，没有例外。耗散结构中出现的自组织现象是因为其负熵流的存在，或曰存在一个独立于耗散结构之外的热阱吸收其熵流，因此自组织现象不能视为热力学第二定律的反证。

宇宙间，热力学第二定律是普适的吗？

 

2．宇宙间唯一的能量过程——电磁波辐射

根据物理学，一定规模质量的天体，其上物体要逃离该天体，速度必须超过引力决定的宇宙速度。因此，尽管天体与其环境(宇宙空间)之间没有严格的边界，但其物质散失及其带走的能量可以忽略。

根据宇宙观察，宇宙空间保持2.726±0.01K的绝对温度，也就是说宇宙间存在非常稀薄的气体和细小粒子——星系际物质。根据有关文献，中微子在宇宙空间大量存在，其密度约为10亿个/m³，中微子的质量为电子质量的万分之一，是基本粒子之一。这些都从一个侧面印证了绝对真空和绝对零度是达不到的，与热力学第三定律的结论相一致。

宇宙太空所处的几乎绝对真空的热力学状态，完全有理把电磁波辐射视为宇宙空间的唯一重要的能量过程。因此从热力学能量平衡角度，一定规模质量的天体上一切的能量过程产生或交换的能量最终都以电磁波的形式向宇宙空间耗散，作为恒星的太阳和作为行星的地球都是如此，这使其表面温度维持着相对稳定的水平。

以耗散结构理论看地球大气系统（简称地气系统），则正是因为这种不断的能量耗散——地气系统的负熵流，才维持了地气系统的宏观有序结构——地气系统沿高程有相对稳定的温度分布规律等（参见大气物理存在的问题之二）。

不可否认，天体的对外电磁波辐射是一种能量耗散，与经典热力学的描述相比，这种能量耗散更具有本质性。

 

3．电磁波与热力学第二定律的关系

众所周知，无论电磁波辐射的机理如何，本质上都是能量传递过程。现在的问题是，电磁波辐射是否存在能量的耗散？如何耗散？

这个问题似乎超出了经典热力学范畴，虽然说热力学第二定律描述的是能量过程必须遵循的规律，但热力学主要研究是热传递的，电磁波能否纳入热力学分析的范畴？这似乎是一个问题。但是根据本人前面的博文——热传递的实质，讲述了热传递的实质就是电磁波辐射。显然，热力学理论在微观机理和宏观现象方面还是存在一些不经典的问题，这些问题都涉及到热力学第二定律的普适性。

事实上，根据热力学第二定律，电磁波辐射的能量耗散应该是不可避免的，否则，第二定律的普适性将被直接否定了。但是，如果存在耗散，则电磁波的能量耗散是如何发生的、损失的能量去了哪里以及转变成了什么？与宇宙学中的一些现象比如遥远星系的光谱（电磁波）红移的关系？天空为什么总是黑的？它与电磁波能量耗散的关系如何？进一步地，电磁波的能量耗散意味着什么呢？这些问题是目前科学尚未开展研究或说得过浅的问题。

 

4．问题的结症——电磁波的耗散具有不可观测性

根据本人前面的博文，电磁波是信息的载体，是人类认识世界的媒介。

由于电磁波是信息的载体，这意味着电磁波的能量耗散过程是不可见的，或者说这超出人类的“视界”（参见前面的博文——我们究竟看见了什么？）。而人类从来就有眼见为实的观念，不可见就意味着这个问题可能无解。因此，可以说电磁波的能量耗散问题是一切问题的结症。

尽管如此，本人相信电磁波耗散总会有些迹象（比如光谱红移可能就是电磁波能量耗散的一种迹象），这个问题的研究需要我们有更开阔的思想和胸襟（已不能用开阔的眼界的说法了）。所谓开阔的思想和胸襟是指我们的分析研究是基于科学事实的理性思维。

 

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