淺析能量守恒與宇宙大爆炸

魏星航

摘 要：能量守恒定律最初是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律，是從大量的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的。人們后來(lái)通過(guò)研究對(duì)稱(chēng)性與守恒定律的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)守恒定律都是由于自然界的某種對(duì)稱(chēng)性引起的。能量守恒對(duì)應(yīng)于時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)，即時(shí)間平移不變性。宇宙大爆炸理論提出后，大爆炸開(kāi)始的那一刻為時(shí)間的起點(diǎn)，這一瞬間之前，談?wù)摃r(shí)間是沒(méi)有意義的，破壞了時(shí)間的平移不變性，能量守恒定律的基礎(chǔ)出現(xiàn)了裂痕。

關(guān)鍵詞：能量守恒 宇宙大爆炸 時(shí)間平移不變性

中圖分類(lèi)號(hào)：P15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）12-0-01

大爆炸理論從提出的那一天開(kāi)始就飽受非議，但是越來(lái)越多的天文觀測(cè)結(jié)果支持這一理論，只要這一理論基本正確，那么有一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題凸顯在人類(lèi)面前：時(shí)間有沒(méi)有起點(diǎn)？倘若宇宙大爆炸成立，則時(shí)間不變性變得毫無(wú)意義，從而無(wú)不變性，則也就沒(méi)有能量守恒。所以能量守恒定律在宇宙大爆炸的研究中充滿(mǎn)危機(jī)。

一、能量守恒定律

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量不變。這就是能量守恒定律。

系統(tǒng)中流入的能量之和必定等于流出能量之和與系統(tǒng)內(nèi)部能量變化之和，能量能夠轉(zhuǎn)換，從一種形態(tài)變?yōu)榱硪环N形態(tài)。系統(tǒng)中儲(chǔ)存的能量增加等于流入系統(tǒng)的能量總數(shù)減去流出系統(tǒng)的能量總數(shù)。

二、宇宙大爆炸

宇宙大爆炸，簡(jiǎn)稱(chēng)大爆炸，是描述宇宙誕生初始條件及其后續(xù)演化的宇宙學(xué)模型，這一模型得到了當(dāng)今科學(xué)研究和觀測(cè)最廣泛且最精確的支持。宇宙學(xué)家通常所指的大爆炸觀點(diǎn)為：宇宙是在過(guò)去有限的時(shí)間之前，由一個(gè)密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演變而來(lái)的，并經(jīng)過(guò)不斷的膨脹到達(dá)今天的狀態(tài)。

三、能量守恒與時(shí)間平移不變性

人類(lèi)從觀察到的眾多自然現(xiàn)象意識(shí)到能量是不能創(chuàng)生的，后來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了能量守恒定律，這時(shí)，它還是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律。上世紀(jì)初，德國(guó)著名數(shù)學(xué)家諾特爾（Noether）從理論上證明了一條定理：如果運(yùn)動(dòng)定律在某一變換下具有不變性，那么必然對(duì)應(yīng)著有一守恒定律存在。后來(lái)人們稱(chēng)其為諾特爾定理，這一定理從根源上找到了守恒定律的物理基礎(chǔ)，是一條普遍定理，在物理學(xué)的研究中占有非常重要的地位[1]。能量守恒源于時(shí)間的平移不變性，時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)延續(xù)性的度量。人們?cè)谇О倌甑挠^察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，時(shí)間是均勻的，意思是表示一件事情的延續(xù)性有意義的只是時(shí)間間隔，和時(shí)間本身的起止時(shí)間點(diǎn)沒(méi)有關(guān)系。從A到B的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)用時(shí)2分鐘，無(wú)論是在早上8點(diǎn)還是晚上8點(diǎn)，用時(shí)都是2分鐘。時(shí)間的均勻性意味著我們的宇宙在時(shí)間上是無(wú)始無(wú)終的，這是一個(gè)推理，也是一個(gè)出發(fā)點(diǎn)，然而，大爆炸理論沖擊了這種觀點(diǎn)。

四、宇宙大爆炸與時(shí)間平移不變性

在宇宙大爆炸理論受到越來(lái)越多的觀測(cè)結(jié)果支持之前，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論曾占據(jù)統(tǒng)治地位。這種理論認(rèn)為我們的宇宙從來(lái)如此，雖然它在不斷變化，但是它在時(shí)間上是無(wú)始無(wú)終的，空間上是無(wú)邊無(wú)沿的。這種理論是能夠支持時(shí)間平移不變性的。但是大爆炸理論不這么認(rèn)為，宇宙在有限的時(shí)間之前，從奇點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生了大爆炸，這樣意味著時(shí)間是有起點(diǎn)的。大爆炸的這一刻，就是時(shí)間的起點(diǎn)，在這之前，沒(méi)有時(shí)間這個(gè)概念。顯然，時(shí)間的均勻性被破壞了，時(shí)間的平移不變性不復(fù)存在。如果承認(rèn)了宇宙大爆炸理論，等同于承認(rèn)了時(shí)間是有起點(diǎn)的。這樣，就不能夠使用諾特爾定理證明能量守恒定律的正確了。這樣看來(lái)，也許人類(lèi)要從新認(rèn)識(shí)能量守恒定律了。

五、能量守恒與宇宙大爆炸

能量守恒定律不能從理論上證明，不代表能量守恒定律不成立。有200年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)支持能量守恒定律的成立，故不能簡(jiǎn)單地判定能量守恒定律不成立。測(cè)定一個(gè)封閉系統(tǒng)的能量是否守恒是一件十分困難的事情，東北大學(xué)王燕生教授認(rèn)為，可以通過(guò)測(cè)定基本相互作用常數(shù)的辦法來(lái)確定一個(gè)封閉系統(tǒng)的能量。例如萬(wàn)有引力常數(shù)G決定了物體之間相互作用的引力能，G值的變化，也將使引力能發(fā)生變化。王燕生教授的論文中提到，萬(wàn)有引力常數(shù)G的變化率在每年10-11左右，并且肯定地說(shuō)，不論變化的原因如何，變化確實(shí)存在。

這是一個(gè)十分重要的信息，它說(shuō)明了孤立系統(tǒng)的能量確實(shí)是隨時(shí)間變化的，能量不再是一個(gè)守恒量?？蛇@與200年來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符，有一種解釋是，萬(wàn)有引力常量的變化率在10-11這個(gè)數(shù)量級(jí)，以前的測(cè)量精度達(dá)不到這么高，即使能夠達(dá)到這個(gè)級(jí)別，實(shí)地測(cè)量一個(gè)孤立系統(tǒng)的能量隨時(shí)間的變化量仍然是不可能的。根據(jù)諾特爾定理，能量不守恒反過(guò)來(lái)說(shuō)明時(shí)間進(jìn)程的均勻性假設(shè)不正確，也就是說(shuō)，時(shí)間很可能有起點(diǎn)，這同時(shí)支持了宇宙大爆炸理論。

還有種說(shuō)法是，能量守恒與宇宙大爆炸之間雖然存在一定的理論沖突，但并不能否定相關(guān)的物理研究實(shí)驗(yàn)成果。從宇宙大爆炸的角度看，雖然其理論基礎(chǔ)打破了時(shí)間平移不變性，對(duì)能量守恒定律提出了一定的挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。但是，從科學(xué)的角度上看，能量守恒的實(shí)驗(yàn)研究，在基于一定的基礎(chǔ)條件和測(cè)量值范圍內(nèi)，能量守恒定律是可行的[2]。

第三種說(shuō)法是，對(duì)能量守恒定律來(lái)說(shuō)，宇宙大爆炸是個(gè)“奇點(diǎn)”。對(duì)于在質(zhì)能密度為無(wú)窮大的點(diǎn)（譬如黑洞和大爆炸初期）來(lái)說(shuō)，任何現(xiàn)有的物理學(xué)公式都是無(wú)意義的。在大爆炸之前，現(xiàn)在意義下的時(shí)空都不存在，自然也不可能存在力的積累，比如動(dòng)量等，能量守恒，意味著事物的運(yùn)動(dòng)變化可不需外因，并且，任何事物都可以歸作整體觀[3]。

能量守恒定律是19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)之一，宣告了第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)幻想的徹底破滅。能量守恒定律是認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有力武器，這個(gè)定律將廣泛的自然科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來(lái)。而宇宙大爆炸理論受到了越來(lái)越多觀測(cè)結(jié)果的支持，是很有可能性的理論，對(duì)兩者的研究都能夠幫助人類(lèi)在物理科學(xué)事業(yè)上獲得新的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]王燕生.能量守恒和宇宙大爆炸[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），1999，（04）：32-34. [2017-08-24]. DOI：10.15936/j.cnki.1008-3758.1999.04.013

[2]郭澤熙. 能量守恒和宇宙大爆炸[J]. 經(jīng)貿(mào)實(shí)踐，2016，（22）：266. [2017-08-24].

[3]石亞丹.淺談能量守恒和宇宙大爆炸.http：//www.docin.com/p-672063557.html.[2017-08-24].endprint