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刘成松LiuChengSong
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[转载]引力相互作用反热力学第二定律

(2017-08-19 10:05:16)
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“平衡态是热力学和统计物理学中最基本的概念,传统的热力学和统计物理学是以衡态为基础的。非平衡态的热力学和统计物理学至今没有很好地建立,建立起来的理论是唯像性的,不是从物理学第一性规律出发得到的。原因在于从微观的角度,产生不可能性的原因至今没有搞清楚。物质系统如何从一个不平衡的状态达到平衡的状态,微观物理机制没有搞清楚。

一一我好像搞清楚了,物质系统从非平衡态达到平衡态的原因是力的作用,在平衡态下运动系统是受力平衡的,而非平衡态下是受力不平衡的,所以系统必然从不平衡态转变到平衡态,而在平衡态下运动为何是受力平衡的,这要从我的理论上来解释。

平衡态是热力学和统计物理学中最基本的概念,传统的热力学和统计物理学是以衡态为基础的。非平衡态的热力学和统计物理学至今没有很好地建立,建立起来的理论是唯像性的,不是从物理学第一性规律出发得到的。原因在于从微观的角度,产生不可能性的原因至今没有搞清楚。物质系统如何从一个不平衡的状态达到平衡的状态,微观物理机制没有搞清楚。

按照目前的一般理解,自然界中存四种相互作用,既引力,电磁力,弱力和强力相互作用。弱力和强力是短程力,只在原子核的空间尺度范围内有效。引力和电磁力是长程力,我们日常生活中的想象主要受引力和电磁力的影响。由于引力比电磁力弱10的负40次方倍,对于地球表面上的化学物理过程,我们主要考虑电磁力的作用。

现有热力学与统计物理学的平衡态研究的是原子分子水平的系统,实际上建立在电磁相互作用的基础上。原子总体不带电,但由于原子核和与核外电荷分布的不均匀,使正负电荷的中心不重合,由此导致电偶极矩和电多极矩。分子则具有更复杂的结构,可以是带电的和不带电的。中性分子容易产生形变,正负电荷中心一般不重合,也可看成电偶极矩和电多极矩。由原子分子组成的热力学系统受正负电荷相互作用支配,同性电荷相互排斥,异性电荷相互吸引。

如果在一个足够大的真空箱里引入一股气流,其中的气体分子则通过对流和碰撞等相互作用扩散到真个空间,并在最终达到均匀分布的状态。这种状态是靠原子分子间的电荷分布达平衡来维持的,即使热力学平衡态。这个过程满足热力学第二定律,系统的熵不断增加,平衡态时系统的熵达到最大值。

如果一个系统中的粒子都是完全电中性的,就不存在电磁相互作用,只存在引力作用。在这样的系统中,粒子之间只有吸引力作用,没有排斥的作用。如果系统中只有两个粒子,这两个粒子要么最终吸引到一起,要么做互相环绕运动。考虑粒子做加速运动会辐射引力波,两个粒子最终仍然会吸引到一起。如果系统中有许多粒子,众所周知的体运动的复杂性,其轨道是完全混乱的。由于相同的理由,它们最终也会吸引到一块,无法形成相互分离的平衡态。

这就是电磁相互作用和引力相互作用系统不同的地方。电磁相互作用系统的自发演化过程满足热力学第二定律,最终达到平衡态。引力相互作用系统一般而言没有平衡态,其演化方向是从均匀分布向不均匀分布方向演化,最后达到最大的不均匀状态,是一个反热力学第二定律的过程。在天体物理学的恒星与星系形成过程中,可以看到大量的证据,以下以恒星的形成理论为例来做说明。

恒星开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.11个原子,但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量,直径为50300光年。分子云的核心,特别是高密度区,会因为重力不稳定,由片段的碎片开始崩溃,或是因为来自超新星的冲激波,或是在附近的其他能量充沛的天文学过程触发分子云中的恒星形成。

在此过程中,部分的重力能量在崩溃的过程中会以红外线的形式损失掉,其余的则会用于增加天体核心的温度。累积的部份物质将会形成星周盘,当温度和密度够高时,氘的核融合将会被引发,并产生向外的压力,结果将使崩溃减缓,而由云气组合成的物质仍继续如雨般的落在原恒星上。在这个阶段,或许是由落入物质的角动量造成的,将会产生双极喷流。在其核心内部,氢开始融合成为恒星,这时还环绕在周围的物质将开始被驱离。

原恒星的发展在赫罗图上会遵循林轨迹,原恒星会继续收缩,直到到达林边界。然后收缩会以稳定的温度继续下去,直到凯尔文-赫姆霍尔兹时标。质量低于0.5太阳质量的恒星将进入主序带,稍重的原恒星,在林轨迹的终点仍将缓慢的塌缩,追随着亨耶迹,以接近流体静力平衡。这种活动形式会使恒星的质量在大约一个太阳质量的附近。高质量的恒星形成过程,也有类似的演化时程表,但时间会短许多,恒星后期的发展属于恒星演化研究的范畴。

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