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宇宙熱終結:一個從絕對零度到21.8K的演化模型

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我在科學智慧火花欄目發表的《關于古地球質量及重力加速度的計算》一文論述到,宇宙的演化過程遵循的規律是:M^3R=H,其中M是宇宙的質量、R是宇宙的空間半徑、H是宇宙的屬性常數,根據愛因斯坦質能方程,質量損失必然生成能量,生成的能量必然推動宇宙的膨脹及宇宙空間溫度的升高。
宇宙是一個看似開放的無邊際的空間,其實,宇宙是一個自閉空間,即無論宇宙如何變化,宇宙的能量、質量等都是不會外溢的,甚至宇宙的信息也是不會外溢的。基于這一理論,分析宇宙質量、空間變化引起宇宙溫度的變化規律。
現代理論認為:雖然宇宙最終會陷入一片死寂和寒冷,但這個過程并不會抵達-273.15℃這個理論上的低溫極限。因為宇宙的膨脹、殘留的輻射等因素,使得宇宙空間本身始終殘留著微小的能量,因此它的最終宿命是“無限接近”而非“達到”絕對零度,并且CMB理論推算宇宙現在的溫度是2.725 K。其實,宇宙最終的溫度不是無限接近于絕對零度,而是大于2.725 K不大于21.8k。分析、論證如下:
宇宙開始之后,較長時期是不輻射的,宇宙質量轉化的能量,被宇宙質量封裝在質量內部,宇宙的比熱容無法計算,這個時期宇宙的質量變化不影響宇宙空間的溫度,即這個時期宇宙空間的溫度是絕對零度,即-273.15℃。宇宙開始輻射之后,宇宙的比熱容是可以計算的。
宇宙開始輻射,宇宙的空間被輻射填充,宇宙空間開始有溫度,即輻射的溫度——宇宙背景微波。現有科學理論計算、測量宇宙的溫度是T=2.725K,現在的宇宙是膨脹的,所以溫度仍然是變化的。
根據愛因斯坦質能方程E=mc^2,其中,m是損失的質量,根據這個理論,如果能量mc^2能全部被質量m吸收,那么質量m必然達到光速。對于基本粒子,存在于物質內部的基本粒子,質量損失一半,必然能光速輻射到外部空間——形成光子,即正好是質量損失一半,被剩余一半吸收形成光子,所以宇宙的最終狀態就是“光子氣體”充斥著的宇宙,“光子氣體”的溫度就是宇宙最終的溫度。
假設宇宙能輻射時刻宇宙的質量是M,則宇宙動態質量必然為M-m,當,且僅當,m=M/2時,宇宙變成一個充滿輻射的宇宙,和現代理論描述——現有理論CMB是充斥宇宙的“光子氣體”,測量宇宙的溫度理念是一脈相承的。也就是說,宇宙的最終狀態是宇宙質量最終全部蒸發成輻射——宇宙是廣義光子充斥的宇宙。
假設宇宙最終被輻射填充空間的溫度是ΔT,根據能量守恒定律及熱力學規律:mc^2=(M-m)CΔT,其中C是宇宙的比熱容、c是光速,此時的宇宙是被光子氣體充斥著的宇宙,即宇宙的質量都轉化為光子,根據愛因斯坦質能方程及能量守恒定律可知:此時(M-m)=m,即宇宙質量變成原來的一半,宇宙演化結束——宇宙是光子充斥著的宇宙。依據方程::mc^2=(M-m)CΔT和(M-m)=m解得:C=c^2/ΔT,所以宇宙的比熱容等于光速的平方除以宇宙最終的溫度。由此可見,雖然宇宙的比熱容與宇宙的質量沒有直接關系,但是能量和質量存在密切的關系,能量、壓強一定空間越大,溫度一定也越大。
該理論還說明:只要還有質量沒有轉化為輻射,即宇宙從開始輻射時,質量沒有損失到原來的一半,宇宙的質量就會減小,宇宙就會膨脹——空間變大,宇宙的溫度就會升高,宇宙變成一個只由輻射“填充”的宇宙,質量達到最小值,再無質量轉化為能量推動宇宙繼續膨脹及溫度的升高,此刻宇宙質量達到最小值,宇宙空間半徑達到最大值,宇宙的溫度達到最大值。
由于現在宇宙還存在沒有轉化為光子的質量,空間還會膨脹,所以宇宙的溫度還可以升高,現代科學理論計算現在宇宙的溫度是2.725K,所以宇宙最終的溫度必然大于2.725K,而不會是無限接近于絕對零度。
絕對零度是在研究理想氣體的過程中發現的,其實,真正的理想氣體就是光子氣體。光子充斥著的宇宙的壓強是光壓——是一個常數。光子充斥著的宇宙最終的光子數是確定的,根據理想氣體方程:PV=NKT,其中,P是壓強、V體積、N是光子的數量、K是玻爾茲曼常數、T是絕對溫度。理想氣體的狀態方程——PV=NKT可以改寫為:V/T=NK/P,由于對于最終的宇宙N、K、P是常數,所以宇宙的體積和宇宙的溫度成反比。所以現有理論——CMB理論推算宇宙現在的溫度是2.725 K,我們的宇宙還在膨脹,宇宙的溫度仍然在增大,所以宇宙的最終溫度一定不小于:2.725 K。
宇宙開始之后,較長時期是不輻射的,宇宙質量轉化的能量,被宇宙質量封裝在質量內部,宇宙的比熱容無法計算,這個時期宇宙的質量變化不影響宇宙空間的溫度,即這個時期宇宙空間的溫度是絕對零度。宇宙開始輻射之后,宇宙才開始有溫度。宇宙開始輻射,宇宙的空間被輻射填充,宇宙空間開始有溫度,即輻射的溫度——宇宙背景微波。現有科學理論計算、測量宇宙的溫度是T=2.725K,現在的宇宙是膨脹的,所以溫度仍然是變化的,并且隨著宇宙的膨脹宇宙的溫度越來越大。
我在科學智慧火花欄目發表的《評關于古地球質量及重力加速度的計算》一文中論述到,宇宙質量的三次方與其可視半徑的乘積是一個常數,數學描述:M^3R=H,其中,M是宇宙的質量、R是宇宙的可視半徑、H是常數。宇宙開始輻射之后,宇宙的質量的最小值是宇宙能輻射時的一半,所以宇宙最終的空間半徑最多是現在宇宙空間半徑的8倍,即宇宙最終的體積不大于現在宇宙體積的8倍,我們按照8倍計算得出的溫度一定大于宇宙的最終溫度。
根據克拉波龍方程:V/T=NK/P及宇宙壓強、粒子數恒定克拉波龍方程可以簡化為:V/T=V1/T1,其中,V、T是現在宇宙的體積、溫度、V1、T1是宇宙最終的體積、溫度。依據V/T=V1/T1計算得:T1=TV1/V=2.725×8V/V=21.8K,即宇宙最終的溫度不大于21.8K。據此可以推算宇宙的比熱容不小于:C=c^2/ΔT=(3×10^8)^2/21.8=4.1×10^15,即宇宙的比熱容不小于4.1×10^15。
結論:宇宙能輻射之后的比熱容是:光速的平方除以宇宙最終的溫度;宇宙最終的溫度不大于21.8k;宇宙質量達到最小值,宇宙空間半徑達到最大值、溫度達到最大值。宇宙的比熱容如此巨大是因為:空間擴大及高速運動——速度最終是光速,需要巨大能量的原因。

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