我在科学智慧火花栏目发表的《关于古地球质量及重力加速度的计算》一文论述到,宇宙的演化过程遵循的规律是:M^3R=H,其中M是宇宙的质量、R是宇宙的空间半径、H是宇宙的属性常数,根据爱因斯坦质能方程,质量损失必然生成能量,生成的能量必然推动宇宙的膨胀及宇宙空间温度的降低高。
宇宙是一个看似开放的无边际的空间,其实,宇宙是一个自闭空间,即无论宇宙如何变化,宇宙的能量、质量等都是不会外溢的,甚至宇宙的信息也是不会外溢的。基于这一理论,分析宇宙质量、空间变化引起宇宙温度的变化规律。
现代理论认为:虽然宇宙最终会陷入一片死寂和寒冷,但这个过程并不会抵达-273.15℃这个理论上的低温极限。因为宇宙的膨胀、残留的辐射等因素,使得宇宙空间本身始终残留着微小的能量,因此它的最终宿命是“无限接近”而非“达到”绝对零度,并且CMB理论推算宇宙现在的温度是2.725 K。其实,宇宙最终的温度不是无限接近于绝对零度,而是大于0.34 K。分析、论证如下:
宇宙开始之后,较长时期是不辐射的,宇宙质量转化的能量,被宇宙质量封装在质量内部,宇宙的比热容无法计算,这个时期宇宙的质量变化不影响宇宙空间的温度,即这个时期宇宙空间的温度是绝对零度,即-273.15℃。宇宙开始辐射之后,宇宙的比热容是可以计算的。
宇宙开始辐射,宇宙的空间被辐射填充,宇宙空间开始有温度,即辐射的温度——宇宙背景微波。现有科学理论计算、测量宇宙的温度是T=2.725K,现在的宇宙是膨胀的,所以温度仍然是变化的。
根据爱因斯坦质能方程E=mc^2,其中,m是损失的质量,根据这个理论,如果能量mc^2能全部被质量m吸收,那么质量m必然达到光速。对于基本粒子,存在于物质内部的基本粒子,质量损失一半,必然能光速辐射到外部空间——形成光子,即正好是质量损失一半,被剩余一半吸收形成光子,所以宇宙的最终状态就是“光子气体”充斥着的宇宙,“光子气体”的温度就是宇宙最终的温度。
假设宇宙能辐射时刻宇宙的质量是M,则宇宙动态质量必然为M-m,当,且仅当,m=M/2时,宇宙变成一个充满辐射的宇宙,和现代理论描述——现有理论CMB是充斥宇宙的“光子气体”,测量宇宙的温度理念是一脉相承的。也就是说,宇宙的最终状态是宇宙质量最终全部蒸发成辐射——宇宙是广义光子充斥的宇宙。
假设宇宙最终被辐射填充空间的温度是ΔT,根据能量守恒定律及热力学规律:mc^2=(M-m)CΔT,其中C是宇宙的比热容、c是光速,此时的宇宙是被光子气体充斥着的宇宙,即宇宙的质量都转化为光子,根据爱因斯坦质能方程及能量守恒定律可知:此时(M-m)=m,即宇宙质量变成原来的一半,宇宙演化结束——宇宙是光子充斥着的宇宙。依据方程::mc^2=(M-m)CΔT和(M-m)=m解得:C=c^2/ΔT,所以宇宙的比热容等于光速的平方除以宇宙最终的温度。由此可见,虽然宇宙的比热容与宇宙的质量没有直接关系,但是能量和质量存在密切的关系,能量的变化,一定影响温度的变化。
该理论还说明:只要还有质量没有转化为辐射,即宇宙从开始辐射时,质量没有损失到原来的一半,宇宙的质量就会减小,宇宙就会膨胀——空间变大,宇宙的温度就会降低,宇宙变成一个只由辐射“填充”的宇宙,质量达到最小值,再无质量转化为能量推动宇宙继续膨胀,此刻宇宙质量达到最小值,宇宙空间半径达到最大值,宇宙的温度达到最小值。
由于现在宇宙还存在没有转化为光子的质量,空间还会膨胀,所以宇宙的温度还还会降低,现代科学理论计算现在宇宙的温度是2.725K,所以宇宙最终的温度必然小于2.725K,但不会是无限接近于绝对零度。
绝对零度是在研究理想气体的过程中发现的,其实,真正的理想气体就是光子气体。光子充斥着的宇宙的压强是光压。光子充斥着的宇宙最终的光子数是确定的,根据理想气体方程:PV=NKT,其中,P是压强、V体积、N是光子的数量、K是玻尔兹曼常数、T是绝对温度。理想气体的状态方程——PV=NKT可以改写为:VP/T=NK,所以现有理论——CMB理论推算宇宙现在的温度是2.725 K,我们的宇宙还在膨胀,宇宙的温度仍然在降低,所以宇宙的最终温度一定小于:2.725 K。
宇宙开始之后,较长时期是不辐射的,宇宙质量转化的能量,被宇宙质量封装在质量内部,宇宙的比热容无法计算,这个时期宇宙的质量变化不影响宇宙空间的温度,即这个时期宇宙空间的温度是绝对零度。宇宙开始辐射之后,宇宙才开始有温度。宇宙开始辐射,宇宙的空间被辐射填充,宇宙空间开始有温度,即辐射的温度——宇宙背景微波。现有科学理论计算、测量宇宙的温度是T=2.725K,现在的宇宙是膨胀的,所以温度仍然是变化的,并且随着宇宙的膨胀宇宙的温度越来越低。
我在科学智慧火花栏目发表的《评关于古地球质量及重力加速度的计算》一文中论述到,宇宙质量的三次方与其可视半径的乘积是一个常数,数学描述:M^3R=H,其中,M是宇宙的质量、R是宇宙的可视半径、H是常数。宇宙开始辐射之后,宇宙的质量的最小值是宇宙能辐射时的一半,所以宇宙最终的空间半径最多是现在宇宙空间半径的8倍。
光子充斥着的宇宙最终的光子数是确定的,光子的速度是光速是确定的,所以宇宙的压强——光压和单位体积的光子数量成正比,宇宙的体积:V=4πR^3/3,也就是说,宇宙从能辐射开始,宇宙的最终体积最多增大到原来的(8R)^3倍,宇宙的压强最多减小到原来的1/(8R)^3,也就是说,PV=P1V1,即理想的理论状态对于宇宙PV是恒量,绝对温度T也必然是恒量。然而对于宇宙的真实情况,从宇宙辐射开始,也是存在体积的,即辐射时存在V0体积,假设现在宇宙的体积是V,宇宙最终的体积V1,对于克拉波龙方程的V真实体积应该是:现在是V-V0、最终体积是V1-V0,即(V1-V0)P1/T1=(V-V0)P/T,此时T=T1、P=8P1、V1-V0=8(V-V0),解得:V1=8V-7V0,由于V>V0>0,所以V1<8V,由克拉伯龙方程可知:V1可以等于8V时,宇宙最终的温度是ΔT=2.725k,现在是V1一定小于8V,所以宇宙最终的温度必然小于2.725k。但是V1一定大于V,所以宇宙最终的温度一定大于ΔT/8=2.725k/8=0.34K。
据此可以推算宇宙的比热容一定大于:C=c^2/ΔT=(3×10^8)^2/2.725=3.3×10^16,即宇宙的比热容大于3.3×10^16;宇宙的比热容一定小于:C=8c^2/ΔT=8(3×10^8)^2/2.725=2.64×10^17,宇宙的比热容一定小于2.64×10^17。
结论:宇宙能辐射之后的比热容是:光速的平方除以宇宙最终的温度;宇宙最终的温度大于0.34K小于2.725k。宇宙质量达到最小值,宇宙空间半径达到最大值、温度达到最小值。宇宙的比热容如此巨大是因为:空间扩大及高速运动——速度最终是光速,需要巨大能量的原因。
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