如果宇宙熵增熱寂不可逆轉，那曾經形成之初的有序（低熵狀態）怎麼來的？
最近大學剛剛入門熱力學 正式接觸了熵的概念。之前也有所了解 孤立系統中 如果沒有外部做功的影響 那它自己的熵值就只增不減。
宇宙一直以來 熵增都是個趨勢 如果它是個孤立系統 到最後就會熱寂不可逆地到達最終的熱平衡 而不會自發逆轉（離開平衡）。
但，有一個問題應該很重要。
如果一切都改變不了熵增、無序的趨勢，那最初大爆炸時的「有序」（曾經的最低熵狀態）又是從何而來？
雖然一般宏觀現象、實驗只測熵增，但熵本身的值也可以求 ，這個取決於物質微觀狀態的數量。
在這裡先說下我所知道的宇宙的空間和時間的定義（大家先看看 和宇宙學的定義一樣不？）
時間：宇宙大爆炸起（138億年前）至今
空間：宇宙大爆炸所有涉及的物質、能量目前膨脹所及的範圍（因為宇宙能量密度有限 膨脹時間和速度有限 因此這空間範圍也有限）
雖然本宇宙空間的時間有限，但一切既然能發生就有果必有因。就算宇宙大爆炸也必有一個前因。前因一直追溯下去，歷史可以向前無限延伸。
如果本宇宙是個孤立系統（暫且認為沒有外界作用）那一直熵增下去 不是會達到一個最高值（平衡）嗎？
那麼熵增平衡（熱寂）在有限的時間內就能實現 全衰變成光子和輕子只要大概10^150年
可大爆炸前有無限的歷史 早就能實現熱寂 為什麼現在又在熵增？
既然熵增的現象還在繼續 就說明目前低熵的狀態 也「離開過」那個最高平衡吧？
這該怎麼解釋呢？
這說明本宇宙外（「宇宙大爆炸以來的本宇宙擴張到的範圍外」）也有物質作用 本宇宙並非孤立系統？
還是有什麼別的解釋？
望大家能來科普科普！
居然在知乎上被問到了羅傑·彭羅斯所謂「物理學上最大的謎」（出自《宇宙新物理學中的時尚、信仰和幻想》）
1 初始熵問題
首先來看宇宙初始低熵的假設是否成立。
按照熱力學第二定律，宇宙的熵是始終增加的，這也就是常說的熱力學時間箭頭。由此自然可以倒推得到誕生之初宇宙的熵是很低的，這在物理學裡被稱為過去假設。
但是，現在觀察到的宇宙微波背景輻射在平均溫度2.7K左右上下浮動只有十萬分之一，非常接近於穩定態黑體輻射波譜，這顯示宇宙在形成之初是很接近於熱和化學平衡、熵達到最高值的狀態。這一矛盾即彭羅斯所謂的「最大謎團」，被稱為初始熵問題
2 引力熵
彭羅斯本人於1979年對這一問題提出了解決的方案。在人們熟悉的熱力學熵之上引入了引力熵的概念。
在熱力學主導的系統內，當粒子高度集中時，系統熵很低，隨著粒子逐漸均勻擴散開來，熱力熵也越來越高，這和我們最常理解的熵切合。彭羅斯提出在引力主導的系統內，情況正好相反，當物質均勻分布時，引力熵是最低的，但是隨著物質越來越集中，引力熵就會越來越高，最終黑洞的引力熵是極為巨大的。後來，霍金證明同等大小的物體中，沒有物質的熵可以比黑洞大。所以現在宇宙中雖然存在大量有序的星系、恆星、行星乃至低熵體生命，但這些在質量上來說不過是九牛一毛。宇宙整體熵的最大貢獻者就是大量的超巨黑洞。目前尚未發現能完整表達引力熵演變的方程。
回到初始熵問題，引入引力熵後，這個矛盾就很好解釋了。微波背景輻射最大熵只是熱力熵的理論極限，實際上加入引力熵後熵的最大值會顯著提高（注意熵是否會有最大值，即熱寂說是否成立在物理學中還很有爭議，不過在此不做討論），那麼實際演化變為下圖。
3 為什麼宇宙初始是低熵態？
解釋了初始熵理論之後，問題就變成了為什麼宇宙初始的熵這麼低？現在比較流行的有兩套理論。
3.1 暴脹理論
內事不決問波函，外事不決問暴脹
說句玩笑話，在量子物理中，凡是反常識搞不懂的東西，大多都用波函數暴力計算詮釋。而在宇宙學裡，凡是說不清楚的東西也大多可以一律丟鍋給大暴脹。大概模式是：「暴脹時期內現有物理學不適用……所以如何如何……」
當然，我們對於暴脹理論的認識在最近幾十年有很大的增長，它也從1980年發明以來從一個邊緣理論逐漸變成了物理界的主流認識，但是對於暴脹的理解今天還很初步，特別是其中的再加熱步驟。根據這一理論預測，在暴脹時期再加熱步驟大量能量在空間形成均勻的相對論粒子，產生極低的引力熵初始態。諷刺的是，彭羅斯本人是拒絕接受暴脹論的。
暴脹理論的最大問題在於它並沒有完全回答問題，因為暴脹發生需要高度特定的宇宙初始參數。人們完全可以接著問，為什麼宇宙初始參數這麼「不自然」，正好觸發暴脹形成極低引力熵初始狀態？因此，有些物理學家提出了一個更為「自然」的理論。
3.2 平衡態波動
在後波美拉尼亞有座鑽石山，這座山有兩英里高，兩英里寬，兩英里深；每隔一百年有一隻鳥飛來，用它的嘴來啄山，等整個山都被啄掉時，永恆的第一秒就結束了
平衡態理論最早來源於鼎鼎大名的玻爾茲曼，他提出宇宙不過是在熵已經達到最大的背景之下曇花一現的局部低熵波動。
舉個例子，房間里所有的空氣分子都在隨機移動，會不會所有分子都正好移到房間左半，而右半變為真空呢？當然，這樣的幾率極低，低到不可估計。但是如果給予無窮無盡的時間會怎樣？會不會有那麼一瞬間這樣的情況發生了？從統計學的角度來看只要時間無限，不為零幾率的事件發生的概率總會趨於一，而熵只不過是概率的另一種說法罷了。
這麼看來，宇宙一直以最高熵的狀態處於熱寂，但是隨機的波動無處不在。在某個瞬間，在宇宙的某個局部，熵隨機浮動到較低的狀態，並很快恢復到最高熵的常態。那個瞬間、那個局部就是我們所能理解的全部「宇宙」。
當然，這個理論自從提出後就受到很多質疑。鼎鼎大名的費曼和保羅·戴維斯都曾親自表示過不同意這一觀點。
這一理論最大的問題在於它有很強的人擇論意味。原則上，只要波動製造出足夠一個太陽系容身的泡沫，那麼裡面就可以演化出人類並提出初始低熵疑問。而我們今天提出這個疑問時能夠觀測到的宇宙是非常浩瀚的，而且到目前還沒有發現宇宙結構上不同的「背景」區域。那麼我們是不是很「幸運」地正好生活在一個非常大尺度的波動內呢？因為在平衡態周圍隨機產生小波動的概率比大波動的概率要大得多得多，我們正好處於這樣一個大波動中從概率上來說實在是太碰巧了。
到底哪一種假說才是正確的？現在當然還無從知曉，關鍵可能還在高能粒子物理中，如果我們能更好地理解普朗克尺度下的物理學，也許能對暴脹模型提出更全面的解釋，並稍稍推開宇宙起源的門。
謝………但宇宙學方面實在是門外漢……這裡澄清一下一個關於熵的誤讀。
廣泛流傳的說法的是熵是系統混沌程度的度量，混沌程度高的系統粒子均勻分布，不會呈現複雜的結構與秩序，比如在水中滴一滴墨，墨最終會擴散至整個水體均勻分布，達到熵最大化。這句話前半句比較含混，而後半部分，即高熵系統無結構，在相當廣泛的範圍內都是錯的。比如下面同一個盒子內氣體的兩個狀態，猜猜哪個狀態的熵更大？
其實是右邊那個。右邊的系統是由左邊的均勻體系演化而成的，熵增的同時團塊結構也自發演化出來了。
之所以會發生這種現象，從熱力學的角度看是由於左邊均勻系統的定容熵，即體積恆定下的熵，恰是粒子數的凸函數（函數圖像向上開口）。
如上圖所示，控制體積不變，則熵是粒子數的增函數。準備兩個粒子數都是A0的完全一致的系統，貼一塊兒，允許它們間交換粒子，使得一側系統的粒子數為A1，另一側為A2。由於粒子數守恆，2A0=A1+A2，A0恰在A1、A2的中間位置。簡單的幾何關係告訴我們，當S(A0)是關於A的凸函數時，S(A1)+S(A2)&>2S(A0)，不等式左邊是兩倍梯形中位線長，而該梯形中位線顯然長過S(A0)。因而追求總熵最大化會使系統從均勻的A0-A0分布向非均勻的A1-A2分布演化，作為演化終點的S(A1)與S(A2)處，S為A的凹函數（開口向下）。
從微觀角度看，之所以定容熵在某一段是粒子數的凸函數，是由於粒子間存在吸引的相互作用。
這種系統自發向不均勻結構演化的現象中，有一大類被稱為分相，譬如水汽凝露，廣泛存在於自然界。分相過程的終點是兩個穩定的相。但如果在任意恆定體積下，熵在整個定義域都是粒子數的凸函數，那麼，如下圖所示，演化的終點將是：所有的粒子都集中於少數幾個幾何點，這些點處的密度為無窮大。如果我的記憶沒出錯的話，一盒子相互之間只有牛頓引力作用的粒子的終點就是這個。
因此，只要存在吸引相互作用，在一定的熱力學條件下，結構或秩序的湧現是自然的事，並不與熵增矛盾。實際上，星系團-星系-恆星系統這樣的結構並不是宇宙初生時即有的，而是後續湧現、演化而成的。大爆炸最初的那鍋基本勻質的粒子湯，也許在最初的那個溫度，那個容積下是熵最大的構型，但隨著容積膨脹，溫度下降，整個體系走到了定容熵-粒子數曲線的下凸處，從而湧現出今天的種種結構。我們並非從秩序邁向混沌。
類似的技術似乎可以用來分析別的東東(/▽＼)
沒有解釋，或者說暫時沒有解釋。宇宙初期處於熵極低的狀態是一個基本假設，稱作「past hypothesis」。沒有它就不會有第二定律。強行解釋的話可以參考人擇原理。
我記得之前在知乎看過有篇科普，大概內容是某些類型的量子糾纏結構可以「驅動」局部的熵減少，一但有一個生成就可以阻止全面熱寂，而其生成幾乎是必然的。但是剛才找了找，找不到原文章了。。記不清是不是 @傅鐵強 @qfzklm @賈明子 三位大神誰寫的。不過我也覺得從量子糾纏的方面去解釋宇宙整體的熵的問題本身就太數學，難以預測出可驗證的現象，不太靠譜。
我個人也覺得，如果宇宙早期漲落剛好生成了某種近平衡的偏態結構，而這個結構可以驅動例如暴脹這樣現象的發生，那麼從這個近平衡結構開始完全可能自發擴大為像我們所在可觀測宇宙這樣遠平衡的大尺度結構。
霍金大神去世前最後一篇論文中與合作者提出認為宇宙早期的一些物理量可以被證明是不受隨機漲落影響的，而是在某種物理性的規律下被確定的，永恆暴脹產生的不同區域的物理參數應該是相似的，從而可以否定弱人擇原理而把哥白尼原理宇宙在物理定律上的各向同性擴大到暴脹前的宇宙，如果霍金這個假設可以被驗證，或許從中也可以發現並完善某個近平衡態自發擴展為遠平衡態的機制，從最近的一些新發表的論文來看(我也看不懂)，似乎通過ds-CFT對應(不是Ads-CFT)作為數學工具研究中微子質量和手性的關係與早期宇宙的聯繫可能是一個突破口。
以下提供一個觀點，出自國內的一本教科書（大學物理·上冊/鄧文基，鄭立賢主編.--北京：高等教育出版社，2017.2）
熵增加原理曾被有些人錯誤地推廣應用於整個宇宙，從而得出荒謬的「熱寂」結論。「熱寂」學說認為，整個宇宙是一個孤立系統，因此整個宇宙的熵必趨於極大而最後達到熱平衡狀態。必有一天，宇宙中各個地方的溫度都是一樣的，一切熱的變化都要停止，導致全宇宙的靜寂。「熱寂」學說的錯誤根源在於把整個宇宙當做熱力學中所討論的孤立系統。熱力學的定律建築在有限的空間和時間內所觀察到的現象的基礎上，所謂的孤立系統也只是屏蔽掉了外界的影響。把這樣一個小範圍的定律推廣到一個無所不包的完全沒有外界存在宇宙是錯誤的。
還有就是龐加萊回歸定理，指關於力學體系運動可逆性（或可復性）的定理
（但是我沒有找到比較好說明這個定理而且還權威一點的文獻，所以題主要是想了解要靠自己啦）
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