質能轉化、空間膨脹與宇宙熱平衡：論宇宙終結溫度的非零下限

我在科學智慧火花欄目發(fā)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(guī)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(shù)，根據(jù)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趨勢。
現(xiàn)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(xiàn)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，而是存在確定的溫度——小于2.725 K。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。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(xiàn)有科學理論計算、測量宇宙的溫度是T=2.725K，現(xiàn)在的宇宙是膨脹的，所以溫度仍然是變化的。
根據(jù)愛因斯坦質能方程E=mc^2，其中，m是損失的質量，根據(jù)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，宇宙的最終狀態(tài)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，則宇宙最終的質量必然為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(xiàn)代理論描述——現(xiàn)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(tài)是宇宙質量最終全部蒸發(fā)成輻射——宇宙是廣義光子充斥的宇宙。
理論依據(jù)：即（M－m）c^2=mc^2，假設宇宙最終被輻射填充空間的溫度是ΔT，根據(jù)能量守恒定律及熱力學規(guī)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(jù)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(jù)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，能量一定空間越大，溫度一定越小。
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，宇宙的溫度就會降低，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(xù)膨脹，此刻宇宙質量達到最小值，宇宙空間半徑達到最大值，宇宙的溫度達到最小值。
由于現(xiàn)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降低，現(xiàn)代科學理論計算現(xiàn)在宇宙的溫度是2.725K，所以宇宙最終的溫度必然小于2.725K，但不會無限接近于絕對零度。
由于宇宙遵循M^3R=H規(guī)律，質量損失一半，半徑擴大到原來的8倍，即宇宙從能輻射開始，最多擴大到原來的8倍，不會無限大，所以最終的能量和空間是確定的，那么宇宙最終的溫度也是確定的，不會是無限趨近于絕對零度，但是也一定小于2.725K。據(jù)此可以推算宇宙的比熱容不小于：C=c^2/ΔT=（3×10^8）^2/2.725=3.3×10^16，即宇宙的比熱容不小于3.3×10^16。
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；宇宙最終的溫度小于2.725K；宇宙質量達到最小值，宇宙空間半徑達到最大值、溫度達到最小值。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。