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經驗定律，是從大量的實驗中總結出來的。人們后來通過研究對稱性與守恒定律的關系發現，每一個守恒定律都是由于自然界的某種對稱性引起的。能量守恒對應于時間平移對稱，即時間平移不變性。宇宙大爆炸理論提出后，大爆炸開始的那一刻為時間的起點，這一瞬間之前，談論時間是沒有意義的，破壞了時間的平移不變性，能量守恒定律的基礎出現了裂痕。

關鍵詞：能量守恒 宇宙大爆炸 時間平移不變性

中圖分類號：P15 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）12-0-01

大爆炸理論從提出的那一天開始就飽受非議，但是越來越多的天文觀測結果支持這一理論，只要這一理論基本正確，那么有一個哲學問題凸顯在人類面前：時間有沒有起點？倘若宇宙大爆炸成立，則時間不變性變得毫無意義，從而無不變性，則也就沒有能量守恒。所以能量守恒定律在宇宙大爆炸的研究中充滿危機。

一、能量守恒定律

能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量不變。這就是能量守恒定律。

系統中流入的能量之和必定等于流出能量之和與系統內部能量變化之和，能量能夠轉換，從一種形態變為另一種形態。系統中儲存的能量增加等于流入系統的能量總數減去流出系統的能量總數。

二、宇宙大爆炸

宇宙大爆炸，簡稱大爆炸，是描述宇宙誕生初始條件及其后續演化的宇宙學模型，這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為：宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的，并經過不斷的膨脹到達今天的狀態。

三、能量守恒與時間平移不變性

人類從觀察到的眾多自然現象意識到能量是不能創生的，后來通過實驗，總結出了能量守恒定律，這時，它還是一個經驗定律。上世紀初，德國著名數學家諾特爾（Noether）從理論上證明了一條定理：如果運動定律在某一變換下具有不變性，那么必然對應著有一守恒定律存在。后來人們稱其為諾特爾定理，這一定理從根源上找到了守恒定律的物理基礎，是一條普遍定理，在物理學的研究中占有非常重要的地位[1]。能量守恒源于時間的平移不變性，時間是物質運動延續性的度量。人們在千百年的觀察過程中發現，時間是均勻的，意思是表示一件事情的延續性有意義的只是時間間隔，和時間本身的起止時間點沒有關系。從A到B的勻速直線運動用時2分鐘，無論是在早上8點還是晚上8點，用時都是2分鐘。時間的均勻性意味著我們的宇宙在時間上是無始無終的，這是一個推理，也是一個出發點，然而，大爆炸理論沖擊了這種觀點。

四、宇宙大爆炸與時間平移不變性

在宇宙大爆炸理論受到越來越多的觀測結果支持之前，穩恒態宇宙論曾占據統治地位。這種理論認為我們的宇宙從來如此，雖然它在不斷變化，但是它在時間上是無始無終的，空間上是無邊無沿的。這種理論是能夠支持時間平移不變性的。但是大爆炸理論不這么認為，宇宙在有限的時間之前，從奇點狀態發生了大爆炸，這樣意味著時間是有起點的。大爆炸的這一刻，就是時間的起點，在這之前，沒有時間這個概念。顯然，時間的均勻性被破壞了，時間的平移不變性不復存在。如果承認了宇宙大爆炸理論，等同于承認了時間是有起點的。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，也許人類要從新認識能量守恒定律了。

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年的實驗結果來支持能量守恒定律的成立，故不能簡單地判定能量守恒定律不成立。測定一個封閉系統的能量是否守恒是一件十分困難的事情，東北大學王燕生教授認為，可以通過測定基本相互作用常數的辦法來確定一個封閉系統的能量。例如萬有引力常數G決定了物體之間相互作用的引力能，G值的變化，也將使引力能發生變化。王燕生教授的論文中提到，萬有引力常數G的變化率在每年10-11左右，并且肯定地說，不論變化的原因如何，變化確實存在。

這是一個十分重要的信息，它說明了孤立系統的能量確實是隨時間變化的，能量不再是一個守恒量。可這與200年來的實驗結果不相符，有一種解釋是，萬有引力常量的變化率在10-11這個數量級，以前的測量精度達不到這么高，即使能夠達到這個級別，實地測量一個孤立系統的能量隨時間的變化量仍然是不可能的。根據諾特爾定理，能量不守恒反過來說明時間進程的均勻性假設不正確，也就是說，時間很可能有起點，這同時支持了宇宙大爆炸理論。

還有種說法是，能量守恒與宇宙大爆炸之間雖然存在一定的理論沖突，但并不能否定相關的物理研究實驗成果。從宇宙大爆炸的角度看，雖然其理論基礎打破了時間平移不變性，對能量守恒定律提出了一定的挑戰和質疑。但是，從科學的角度上看，能量守恒的實驗研究，在基于一定的基礎條件和測量值范圍內，能量守恒定律是可行的[2]。

第三種說法是，對能量守恒定律來說，宇宙大爆炸是個“奇點”。對于在質能密度為無窮大的點（譬如黑洞和大爆炸初期）來說，任何現有的物理學公式都是無意義的。在大爆炸之前，現在意義下的時空都不存在，自然也不可能存在力的積累，比如動量等，能量守恒，意味著事物的運動變化可不需外因，并且，任何事物都可以歸作整體觀[3]。

能量守恒定律是19世紀自然科學中三大發現之一，宣告了第一類永動機幻想的徹底破滅。能量守恒定律是認識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學技術領域聯系起來。而宇宙大爆炸理論受到了越來越多觀測結果的支持，是很有可能性的理論，對兩者的研究都能夠幫助人類在物理科學事業上獲得新的認識。

參考文獻

[1]王燕生.能量守恒和宇宙大爆炸[J].東北大學學報（社會科學版），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]. 經貿實踐，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