能量守恒和宇宙大爆炸

1、能量守恒和宇宙大爆炸    人们从观察众多的自然现象总结出能量守恒定律，后来通过研究对称性与守恒定律的关系发现，每一个守恒定律都是由于自然界某种对称性引起的，能量守恒对应于时间平移对称，即时间平移不变性。宇宙大爆炸理论提出后，大爆炸开始的那一瞬间为时间起点，这一瞬间之前，谈论时间是没有意义的。也就是说宇宙大爆炸使我们再不能认为时间具有平移不变性了，能量守恒的理论基础出现裂痕。与此同时，利用高精度的激光测距技术，发现万有引力常数随时间变化，这表明孤立系统的能量可能真的不是恒量。能量守恒定律面临挑战。大爆炸宇宙论从提出那一天起，就受到各方面的非议，但是越来越

2、多的天文观测又几乎都支持这一理论，只要这一理论基本上正确，那么许多古老的哲学问题又凸现在人们的面前：我们的宇宙从何而来？时间有没有起点？空间是否有限？能量可以从虚空中产生吗？等等。虽然，这些问题可能是杞人忧天、庸人自扰，但对有些问题作一下重新审查，也许是必要的。比如，宇宙大爆炸与能量守恒定律之间的冲突已初见端倪。在此作些粗略的探讨，以抛砖引玉。一、能量守恒和时间平移不变性最初，人们从观察众多的自然现象意识到能量是不能创生的，后来通过实验，如焦耳的热功当量实验，特别是从制造永动机的失败中，总结出能量守恒定律：在封闭系统中，不论发生何种变化过程，各种形式的能量可以互相转换，但能量的总和是恒定的。这

3、时它还是一个经验定律。本世纪初，德国著名数学家诺特尔（Noether ）从理论上证明了一条定理：如果运动定律在某一变换下具有不变性，那么必然对应着有一守恒定律存在。后来人们称其为诺特尔定理。这一定理从根源上找到了守恒定律的物理基础，是一条普遍定理，在物理学的研究中占有非常重要的地位。按照这一定理，人们找到了动量守恒定律根源于空间均匀性，也就是说由于运动定律在空间平移时，保持不变，才导致动量守恒定律的出现，这也称为运动定律的空间平移不变性。角动量守恒定律是由于空间转动不变性引起的。而能量守恒定律则源于时间平移不变性。还有一些所谓规范不变性引出了电荷守恒定律、粒子数守恒定律等。总之，目前所发现的所

4、有守恒定律，都是由于某种变换不变性引起的，也可以说是基于某种均匀性、对称性。反之，如果原先以为的某种对称性、均匀性不存在了，那么相应的守恒定律也就不存在了，比如，人们原以为自然界“左”和“右”是对称的，由此对应出现了宇称守恒定律，后来通过实验，证实在弱相互作用中，“左”和“右”不对称，于是确认在弱相互作用中，不存在宇称守恒定律。时间是物质运动延续性的度量。在人类千百万次的观察和实践中，发现这种延续性是均匀的，即时间是均匀的。所谓时间的均匀性指的是，表示一个事件的延续性的时间有意义的只是时间间隔，而与时间起始和终止的绝对数值无关，即与时间的零点从何时算起没有关系。比如，将一个小球以一定速度上抛，

5、两分钟后落回原处，抛起的时刻记为0， 落回原处的时刻就是2分钟，抛起的时刻记为12时，那么此球一定在12时2分落回原处。普遍地说，时间均匀性意味着物理定律不因时间不同而有所变化，牛顿在三百多年前发现的牛顿运动定律和万有引力定律到今天仍然正确，摆长一定的单摆，今天摆动的周期与一个月前的摆动周期相同（当然是在地球的同一地点），这似乎是天经地义的。如果自然定律天天在变，那还有什么规律可言呢？时间的均匀性意味着我们的宇宙在时间上是无始无终的，这是一个推论，也是一个出发点，这样可以省去许多麻烦，人们十分欣赏这样的论断：时间是一条无头无尾、始终均匀流淌的长河！前面已经说过，时间均匀性，导致了能量守恒定律，

6、也就是说，由于诺特尔定理，能量守恒定律已提高到理性的高度，严格地说，它已不再是一个定律，而是一个可以从理论上证明的定理了。但是，近二三十年宇宙学方面的发展却使这个看似天经地义的问题需要重新认识了。二、宇宙大爆炸破坏了时间平移不变性宇宙学是天文学的一个分支，它研究我们宇宙中物质的分布、运动、结构以及整个宇宙的起源和演化。历史上，稳恒态宇宙论曾占统治地位，这种理论认为：我们的宇宙从来就如此，虽然它在不断地运动变化，但它在时间上是无始无终的，在空间上是无边无沿的。这种理论在哲学上比较容易接受，因为它不存在如下问题：如果时间有起点，那么时间开始以前是什么样？如果空间有限，那么在该空间以外的地方又是什么

7、。但是，由伽莫夫（G.Gamov ）等人发展起来的宇宙大爆炸理论否定了上述看法。按照这一理论，我们的宇宙大约在100亿年至200亿年前，发生一次大爆炸，宇宙从一个奇点诞生。最初宇宙的密度极大，温度极高，这时宇宙中只有光子、电子、夸克等物质；大爆炸使其极迅速地膨胀，温度也随之迅速下降，这时出现了质子、中子等；温度由于膨胀进一步下降，到4000K左右才出现原子、分子；经过数亿年， 才出现星体，最后演化成现在这个样子，目前我们宇宙的温度大约为3K。提出宇宙大爆炸理论的最早依据， 主要是遥远星系的光谱红移。1929年美国天文学家哈勃根据光谱红移，系统地研究了遥远星系退行速度后，得到哈勃定律。根据该定律

8、，星系离我们越远，退行速度越快，比如，室女星座距离我们约6000万光年，其退行速度为1120公里秒，长蛇星座距离我们约36亿光年，其退行速度为62000公里秒。 宇宙这一幅正在膨胀的图像，确实启发了大爆炸宇宙论提出者的思维。然而，膨胀的宇宙，不一定必然由大爆炸产生，因此，当初并没有多少人同意这一观点。然而，近二三十年天文观测几乎都支持这一理论。 比如，1964年美国两位射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊发现，来自宇宙深处的微波辐射没有方向性，即不论春、夏、秋、冬，探测天线对准天空任何方向，都能接收到这种作为“噪音”的辐射，他们称其为“宇宙背景辐射”，经过测算，它的频谱分布正好与绝对黑体在2.7K时的

9、辐射分布相同，这与大爆炸后，由于膨胀而降温，到现在我们宇宙的温度3K相吻合，这就是现在人们常说的“3K背景辐射”。又如，根据大爆炸宇宙论，到目前这个状态，氦核在各星系中的丰度大约为30左右，而天文观测发现氦核在各星系中的丰度几乎都在2327，这种惊人的吻合是其它任何宇宙论或天体演化学说望尘莫及的。再有，我们已知太阳系的年龄大约50亿年，银河系中最古老的球状星团的年龄约为100亿年， 而宇宙中最古老的天体红巨星的年龄也不超过150亿年， 而由大爆炸宇宙论估算的宇宙年龄为100 亿年到200亿年。因篇幅所限，这里仅举此3例说明该理论被天文观测支持的概况。虽然还存在不少疑点，但越来越多的科学家认为，

10、大爆炸宇宙论还是比较有希望获得成功的。按照这个理论，宇宙在时间上是有起点的，大爆炸开始那一瞬间，就是时间的起点，是时间的零点，时间的零点已经不能随意选取了。零点以前，即大爆炸以前，谈论时间是没有意义的，显然，时间均匀性已被破坏，时间平移不变性已不存在。因此，从逻辑上说，如果承认宇宙大爆炸，就等于承认时间有了起点，时间平移不变性已经不存在，能量守恒也不能用诺特尔定理证明其正确了。三、能量守恒定律受到挑战不能从理论上证明能量守恒定律，不等于能量就不守恒了，能量到底是否守恒，还必须用实践来检验。从能量守恒定律的建立历史，我们知道，这个定律的实验基础非常雄厚，到目前为止还没有一例显示能量不守恒，因此直

11、接测定一个封闭系统的能量是否守恒仍然是一件非常困难的事。在这里笔者试提出，测定各种基本相互作用常数是否随时间变化，也许是一种可行的途径。到目前为止，物理学发现，我们宇宙中存在着4种基本相互作用，它们是：万有引力相互作用，电磁相互作用，强相互作用和弱相互作用。各种相互作用都决定于对应的相互作用常数，而每种基本相互作用常数不但决定了每种作用的强度，也决定了相互作用的能量。比如，万有引力常数G就决定了物体之间相互作用的引力能1，而G的变化，也将使引力能发生变化。虽然引力常数G是4 种基本相互作用常数中最小的一个，但是由于科学技术的飞速发展，利用高精度激光测距技术，不但可以将地球与月球间距、地球与卫星

12、间距、月球与卫星间距精确测定出来，而且也可以把这些距离的微小变化测量出来，从而使得万有引力常数G随时间变化率（GG）的测量成为可能。 最近有报道2，这个变化率大约在每年10-11左右，并且肯定地说，不论变化的原因是什么，变化确实存在。这是一个十分重要的信息，它一方面说明孤立系统的能量随时间变化，能量不再是一个守恒量。比如，根据物理学有关公式的计算1，由于G的这一变化，太阳的固有引力能每年有2.4×1030焦耳的改变；太阳系各星体间相互作用的引力能，每年也将有4×1023 焦耳的变化。另一方面，根据诺特尔定理，能量不守恒反过来说明时间进程的均匀性假设不正确，如前面说到的单摆和上抛小球，由于G随时间变化， 今天测定单摆的周期和小球回落所经历的时间，都与昨天测量结果有所不同，这都是由于宇宙在时间上有了起点的缘故。而这一点对宇宙大爆炸理论又是一种支持。其它相互作用常数随时间变化都将使孤立系统的能量不再保持恒定不变。最后，对这一问题做两点说明。第一，前面已说过，能量守恒定律大约经过200年的考验， 没有一个实验或现象违背这一定律，现在怎么忽然说它不成立了呢？这可以用测量精度不高来解释，即使现在测量精度提高到数千亿分之一（10-11），但要实地测量一个孤