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失衡的世界
J.P.佩蒂特
法国国家科学研究中心前研究员
2012年12月
这篇文章曾由科学院院士罗贝尔·多特里承诺将在《为科学》杂志上发表。
但经过数月的沉默后，我已失去希望。
当街上的普通人想到一个平衡系统时，他想象的是一颗小球在凹陷的底部，或者类似的东西。
热力学平衡的概念涉及的是更为微妙的动态平衡。最简单的例子就是我们呼吸的空气。其分子以极快的速度向各个方向运动，热运动的平均速度是每秒400米。这些分子以极快的节奏相互碰撞、相互作用。这些碰撞改变了它们的速度。然而，物理学家会说，从统计学上讲，这种状态表现出某种稳定性。想象一个精灵，在空间的某一点上，可以随时测量在某一特定方向上（比如某个方向，误差在狭窄的角度范围内）空气分子的运动速度。他在每个时刻都计算并重新计算，速度在V到V + ΔV之间的分子数量。他将测量结果记录在图表上，并看到一条漂亮的高斯曲线，其峰值出现在每秒400米的平均速度附近。随着计数的分子变得更快或更慢，它们的数量逐渐减少。
他将这个操作在空间的所有方向上重复进行，令人惊讶的是，得到了相同的结果。房间里的空气分子运动是各向同性的。此外，只要这种气体的温度保持不变，就不会有任何东西干扰这种动态平衡，因为这种气体的绝对温度正是这种热运动平均动能的度量。
物理学家会说，这种气体处于热力学平衡状态。这种状态还有其他方面。空气分子并不是球形对称的物体。双原子的氧分子或氦分子呈花生状。构成二氧化碳和水蒸气的分子则更为不同。无论如何，这些物体可以通过自转储存能量，就像微型飞轮一样。这些分子还可以振动。能量均分的概念规定，这些能量应该公平地分布在这些不同的“模式”上。在一次碰撞中，动能可以引发分子的振动或旋转。但反向过程也是可能的。这一切都取决于统计学，我们的精灵可以计算有多少分子处于某种状态，具有某种动能，处于某种振动状态。在我们呼吸的空气中，这种统计结果导致了这种状态的稳定性。人们说这种介质处于热力学平衡状态，即松弛状态。
想象一个魔术师，他有能力在时间上停止这些分子的运动，冻结它们的旋转和振动，并随意修改这些运动，创造一种不同的统计分布，甚至变形这条漂亮的高斯曲线，甚至开个玩笑，创造一种各向异性的情况，例如在某个方向上的热运动速度是横向方向的两倍。然后他让这个系统自由演化，任由碰撞发生。
需要多少次碰撞才能使系统回到热力学平衡状态？答案是：几次。分子在两次碰撞之间的平均自由程给出了气体中弛豫时间的量级。是否存在远离平衡的介质，其中元素的热运动速度的统计分布显著偏离这种令人安心的各向同性和漂亮的高斯曲线？
当然存在，而且在宇宙中，这种情况甚至是大多数！一个星系，这个“岛屿宇宙”，由数百亿颗质量大致相近的恒星组成，可以类比为一个气体集合，其中的“分子”就是恒星。在这种情况下，我们发现了一个极其令人困惑的世界，其中一颗恒星相对于其邻居的平均自由程是宇宙年龄的1万倍。但什么是“相遇”呢？是否意味着两颗恒星发生碰撞？并非如此。在理论物理学的一个领域，称为气体动力学理论中，当一颗恒星的轨迹因与邻居相遇而显著改变时，就认为发生了碰撞。然而计算表明，这些事件极其罕见，因此银河系中1000多亿颗恒星的系统可以被看作是一个几乎无碰撞的系统。因此，数十亿年来，我们太阳的轨道一直非常规则，几乎是圆形的。如果太阳拥有意识，在没有因相遇而改变轨道的情况下，它会不知道自己有邻居。它只会感知到引力场的“光滑”形态。它像在没有感知到其他恒星造成的微小凹凸的碗中移动一样。
一个推论随之而来。将我们的精灵变成天文学家，放置在我们银河系的太阳附近，并让他在所有方向上对所有邻近恒星的相对速度进行统计。一个显而易见的事实出现了。从动力学上讲，这个介质非常各向异性。存在一个方向，其中恒星的热运动速度（天文学家称之为相对于平均牵引运动的残余速度，在太阳附近约为230公里/秒，沿近似圆形的轨道）的平均值大约是横向方向的两倍。在我们呼吸的空气中，我们谈论的是速度的球形分布。在这里，它变成了速度的椭球分布。
好的。这对我们理解世界的方式有什么影响？这改变了所有。因为我们在理论上根本不知道如何处理这种明显远离平衡的系统。如果忽略银河系所处的矛盾情况，即瑞士裔美国人弗里茨·齐克发现的缺失质量效应，我们绝对无法构建自引力点质量系统（在它们自身的引力场中运行）的模型。我们的物理学始终接近热力学平衡状态。当然，任何偏离这一点的情况都意味着偏离平衡，例如温度差异……