如上图所示：一个有序的，稳定的粒子系统代表一个低熵状态，而一个更随机的，能量系统的这些相同的粒子是一个更高的熵状态。尽管几乎所有系统的熵都在增加，但这并不意味着宇宙的熵最初为零，甚至接近于零！
大家好，我是科学羊🐑。
在浩瀚宇宙中，有一条不可侵犯的法则主宰着万物的演变——热力学第二定律。
这条法则告诉我们，在任何封闭的系统中，无论是微观粒子还是巨大的能量，熵总是倾向于增加。
换句话说，宇宙在不断走向一种“无序”的状态。
熵不仅对某个特定系统生效，它适用于整个宇宙。无论是早期的宇宙还是现在，我们都能观察到熵的稳步增加。
那么，如果我们追溯到宇宙的起点，会发现什么？
在大爆炸刚刚发生的那一刻，宇宙的熵是否从零开始？
当我们探讨熵和宇宙的关系时，答案却出乎意料——大爆炸的初期并非我们想象中的“有序”或“低熵”状态。
相反，那时的宇宙已经存在相当大的熵值，并随着时间不断增加。
01 从炽热爆炸到无序膨胀：宇宙初期的演化
距今138亿年前，整个宇宙还是一团炽热的火球，充满了密集的粒子、辐射和能量。
想象一下，今天分布在920亿光年直径范围内的物质和辐射，竟然挤在一个仅相当于巨型南瓜大小的空间中。
当时的温度和密度都高得难以想象，粒子数量大约在10^90量级，每个粒子都携带巨大的能量，远超现代科学仪器所能实现的程度。
那个阶段的宇宙可以说是极度“混乱”的。
宇宙在炽热的初期状态下膨胀、冷却，逐渐形成了今天的复杂结构。
而这一切的关键在于当时宇宙中的微小缺陷——它们的密度与平均值的偏差仅约为0.003%，却为后续的星系、恒星等结构的诞生提供了“种子”。
02 无序的真正含义：从日常现象解读熵
提到“无序”，很多人会联想到熵。
在我们的生活中，熵可以用来描述从整齐到杂乱的变化：
一个完整的鸡蛋破裂后散落在地，熵增加了；
热咖啡与冷奶混合后熵增加，杂乱程度更高；
一堆衣物随意堆放，熵更高；
而将其整齐叠放在抽屉中，熵则更低；
这些例子只是表面的理解。真正的熵并不是有序或无序的简单对立，而是所有粒子的可能排列方式的度量。
在宇宙中，熵代表了系统内所有粒子的量子态的可能组合数量，因而是整个系统潜在的“混乱度”。
03 宇宙的膨胀：无序走向更高的无序
回到宇宙的早期，所有的物质和能量以极高的密度集中，熵值为S ≈ 10^88 k_B（玻尔兹曼常数为k_B）。
随着时间的推移，每当发生能量释放的现象，例如：
原子形成、
轻原子核融合成重原子核、
引力坍缩形成恒星或行星、
乃至黑洞的诞生，
整个宇宙的熵都会随之增加。
如今，我们可以量化宇宙的熵值，并发现黑洞是宇宙中熵的主要贡献者。
一个银河系中心的黑洞，熵值达到S ≈ 10^91 k_B，比宇宙早期的熵高出1000倍。黑洞的熵与其表面积成正比，越大的黑洞，熵值也越大。
随着宇宙中黑洞的形成和增长，熵也在不断攀升。
未来，熵还会继续增长，因为更重的黑洞不断吸收更多的质量。
预计在10^20年后，黑洞会达到最大数量，宇宙的熵将达到一个极限值，约为S ≈ 10^119至10^121 k_B。
04 熵的守恒：黑洞与霍金辐射的终极过程
黑洞不仅让熵增加，还拥有另一种特性：即便黑洞在霍金辐射的作用下逐渐衰减，熵仍保持守恒。
这是因为霍金辐射作为一种熵守恒的绝热过程，不会减少系统的总熵。
未来，黑洞将缓慢衰变为辐射，但熵依旧会维持其庞大的数值。
值得注意的是，尽管宇宙的总熵值随着时间增长，但熵密度——即单位体积内的熵值——却在不断下降。
比如，在大爆炸刚发生后，熵密度高达10^87 k_B/m³，而银河系中心的黑洞熵密度仅约为10^51 k_B/m³。
宇宙的膨胀稀释了每单位体积的熵密度，尽管整体熵值增加了。在未来，随着宇宙体积无限扩大，熵密度将进一步降低，但熵总量仍然只增不减。
这个模拟展示了暗物质的宇宙网络及其形成的大尺度结构
从目前观察的宇宙直径约为460亿光年。
随着时间推移，膨胀还在继续，我们将看到更广阔的宇宙。科学家们估计宇宙的边界可能无限广阔，而我们观测到的只是冰山一角。
对我们来说，热大爆炸并非宇宙的“起点”，而是我们认知中最早可以描述的一个事件。
在大爆炸之前，科学家认为宇宙经历了一个被称为“宇宙膨胀”的阶段。当时，宇宙充满一种类似暗能量的能量形式。这种能量以指数级速度膨胀空间，使得曲率迅速趋于平坦，并将原本的熵密度稀释到了极低的程度。
膨胀带来的最大变化是熵密度的极度降低。
早期的宇宙尽管已经拥有一定的熵值，但在膨胀的过程中被无限稀释，直至几乎不可测量。
膨胀时期结束时，宇宙内的熵突然急剧上升——这是宇宙历史上最大的一次熵增长，这一熵值的暴涨为之后的热大爆炸提供了必要的条件。
这个来自结构形成模拟的片段，随着宇宙的扩张，代表了暗物质丰富的宇宙中数十亿年的引力增长。宇宙的熵，在这个过程中的每一步，总是在增加，即使熵的密度(包括膨胀)可能会下降。(图片来源: Ralf Kaehler and Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn)
此后，宇宙在膨胀冷却过程中进入热大爆炸阶段，经历了从炽热密集的初期状态，到如今星系、黑洞、恒星等复杂结构逐渐形成的过程。
而即便在这种无序的状态下，熵的增加在大爆炸后仍然以极快的速度增长。
遥远的未来，当宇宙膨胀到现在的亿亿倍时，熵密度将再次接近膨胀时期的低值，宇宙的“无序”状态将进一步加剧，熵总量达到最大。但由于体积的无限扩展，熵密度将降至极低水平，接近膨胀初期的状态。
总结：
由此，我们看到，在宇宙的漫长历史中，熵的增加驱动了从简单到复杂的演化，也揭示了宇宙的奥秘。
从炽热大爆炸开始，熵的增加让宇宙不断走向更高的无序；而随着宇宙的膨胀，熵密度却逐渐接近于膨胀初期的微小状态。
最终，宇宙将继续扩展至我们所无法观测到的广袤领域，而在这一过程中，熵和无序的故事仍将继续。
在热力学第二定律的指引下，宇宙将始终朝着更大的熵值演化。宇宙起源的神秘面纱也许永远无法完全揭开，但熵的存在提醒我们，这一切的背后，是无序到更高无序的必然演进。
好，今天就先这样啦～
科学羊🐏 2024/11/13
祝幸福~
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