能量守恒和宇宙大爆炸

1、能量守恒和宇宙大爆炸    人們從觀察眾多的自然現(xiàn)象總結(jié)出能量守恒定律，后來(lái)通過(guò)研究對(duì)稱性與守恒定律的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)守恒定律都是由于自然界某種對(duì)稱性引起的，能量守恒對(duì)應(yīng)于時(shí)間平移對(duì)稱，即時(shí)間平移不變性。宇宙大爆炸理論提出后，大爆炸開(kāi)始的那一瞬間為時(shí)間起點(diǎn)，這一瞬間之前，談?wù)摃r(shí)間是沒(méi)有意義的。也就是說(shuō)宇宙大爆炸使我們?cè)俨荒苷J(rèn)為時(shí)間具有平移不變性了，能量守恒的理論基礎(chǔ)出現(xiàn)裂痕。與此同時(shí)，利用高精度的激光測(cè)距技術(shù)，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力常數(shù)隨時(shí)間變化，這表明孤立系統(tǒng)的能量可能真的不是恒量。能量守恒定律面臨挑戰(zhàn)。大爆炸宇宙論從提出那一天起，就受到各方面的非議，但是越來(lái)越

2、多的天文觀測(cè)又幾乎都支持這一理論，只要這一理論基本上正確，那么許多古老的哲學(xué)問(wèn)題又凸現(xiàn)在人們的面前：我們的宇宙從何而來(lái)？時(shí)間有沒(méi)有起點(diǎn)？空間是否有限？能量可以從虛空中產(chǎn)生嗎？等等。雖然，這些問(wèn)題可能是杞人憂天、庸人自擾，但對(duì)有些問(wèn)題作一下重新審查，也許是必要的。比如，宇宙大爆炸與能量守恒定律之間的沖突已初見(jiàn)端倪。在此作些粗略的探討，以拋磚引玉。一、能量守恒和時(shí)間平移不變性最初，人們從觀察眾多的自然現(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)，如焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，特別是從制造永動(dòng)機(jī)的失敗中，總結(jié)出能量守恒定律：在封閉系統(tǒng)中，不論發(fā)生何種變化過(guò)程，各種形式的能量可以互相轉(zhuǎn)換，但能量的總和是恒定的。這

3、時(shí)它還是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律。本世紀(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。按照這一定理，人們找到了動(dòng)量守恒定律根源于空間均勻性，也就是說(shuō)由于運(yùn)動(dòng)定律在空間平移時(shí)，保持不變，才導(dǎo)致動(dòng)量守恒定律的出現(xiàn)，這也稱為運(yùn)動(dòng)定律的空間平移不變性。角動(dòng)量守恒定律是由于空間轉(zhuǎn)動(dòng)不變性引起的。而能量守恒定律則源于時(shí)間平移不變性。還有一些所謂規(guī)范不變性引出了電荷守恒定律、粒子數(shù)守恒定律等?？傊壳八l(fā)現(xiàn)的所

4、有守恒定律，都是由于某種變換不變性引起的，也可以說(shuō)是基于某種均勻性、對(duì)稱性。反之，如果原先以為的某種對(duì)稱性、均勻性不存在了，那么相應(yīng)的守恒定律也就不存在了，比如，人們?cè)詾樽匀唤纭白蟆焙汀坝摇笔菍?duì)稱的，由此對(duì)應(yīng)出現(xiàn)了宇稱守恒定律，后來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)在弱相互作用中，“左”和“右”不對(duì)稱，于是確認(rèn)在弱相互作用中，不存在宇稱守恒定律。時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)延續(xù)性的度量。在人類千百萬(wàn)次的觀察和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)這種延續(xù)性是均勻的，即時(shí)間是均勻的。所謂時(shí)間的均勻性指的是，表示一個(gè)事件的延續(xù)性的時(shí)間有意義的只是時(shí)間間隔，而與時(shí)間起始和終止的絕對(duì)數(shù)值無(wú)關(guān)，即與時(shí)間的零點(diǎn)從何時(shí)算起沒(méi)有關(guān)系。比如，將一個(gè)小球以一定速度上拋，

5、兩分鐘后落回原處，拋起的時(shí)刻記為0， 落回原處的時(shí)刻就是2分鐘，拋起的時(shí)刻記為12時(shí)，那么此球一定在12時(shí)2分落回原處。普遍地說(shuō)，時(shí)間均勻性意味著物理定律不因時(shí)間不同而有所變化，牛頓在三百多年前發(fā)現(xiàn)的牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律到今天仍然正確，擺長(zhǎng)一定的單擺，今天擺動(dòng)的周期與一個(gè)月前的擺動(dòng)周期相同（當(dāng)然是在地球的同一地點(diǎn)），這似乎是天經(jīng)地義的。如果自然定律天天在變，那還有什么規(guī)律可言呢？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)推論，也是一個(gè)出發(fā)點(diǎn)，這樣可以省去許多麻煩，人們十分欣賞這樣的論斷：時(shí)間是一條無(wú)頭無(wú)尾、始終均勻流淌的長(zhǎng)河！前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，時(shí)間均勻性，導(dǎo)致了能量守恒定律，

6、也就是說(shuō)，由于諾特爾定理，能量守恒定律已提高到理性的高度，嚴(yán)格地說(shuō)，它已不再是一個(gè)定律，而是一個(gè)可以從理論上證明的定理了。但是，近二三十年宇宙學(xué)方面的發(fā)展卻使這個(gè)看似天經(jīng)地義的問(wèn)題需要重新認(rèn)識(shí)了。二、宇宙大爆炸破壞了時(shí)間平移不變性宇宙學(xué)是天文學(xué)的一個(gè)分支，它研究我們宇宙中物質(zhì)的分布、運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)以及整個(gè)宇宙的起源和演化。歷史上，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論曾占統(tǒng)治地位，這種理論認(rèn)為：我們的宇宙從來(lái)就如此，雖然它在不斷地運(yùn)動(dòng)變化，但它在時(shí)間上是無(wú)始無(wú)終的，在空間上是無(wú)邊無(wú)沿的。這種理論在哲學(xué)上比較容易接受，因?yàn)樗淮嬖谌缦聠?wèn)題：如果時(shí)間有起點(diǎn)，那么時(shí)間開(kāi)始以前是什么樣？如果空間有限，那么在該空間以外的地方又是什么

7、。但是，由伽莫夫（G.Gamov ）等人發(fā)展起來(lái)的宇宙大爆炸理論否定了上述看法。按照這一理論，我們的宇宙大約在100億年至200億年前，發(fā)生一次大爆炸，宇宙從一個(gè)奇點(diǎn)誕生。最初宇宙的密度極大，溫度極高，這時(shí)宇宙中只有光子、電子、夸克等物質(zhì)；大爆炸使其極迅速地膨脹，溫度也隨之迅速下降，這時(shí)出現(xiàn)了質(zhì)子、中子等；溫度由于膨脹進(jìn)一步下降，到4000K左右才出現(xiàn)原子、分子；經(jīng)過(guò)數(shù)億年， 才出現(xiàn)星體，最后演化成現(xiàn)在這個(gè)樣子，目前我們宇宙的溫度大約為3K。提出宇宙大爆炸理論的最早依據(jù)， 主要是遙遠(yuǎn)星系的光譜紅移。1929年美國(guó)天文學(xué)家哈勃根據(jù)光譜紅移，系統(tǒng)地研究了遙遠(yuǎn)星系退行速度后，得到哈勃定律。根據(jù)該定律

8、，星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，退行速度越快，比如，室女星座距離我們約6000萬(wàn)光年，其退行速度為1120公里秒，長(zhǎng)蛇星座距離我們約36億光年，其退行速度為62000公里秒。 宇宙這一幅正在膨脹的圖像，確實(shí)啟發(fā)了大爆炸宇宙論提出者的思維。然而，膨脹的宇宙，不一定必然由大爆炸產(chǎn)生，因此，當(dāng)初并沒(méi)有多少人同意這一觀點(diǎn)。然而，近二三十年天文觀測(cè)幾乎都支持這一理論。 比如，1964年美國(guó)兩位射電天文學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)，來(lái)自宇宙深處的微波輻射沒(méi)有方向性，即不論春、夏、秋、冬，探測(cè)天線對(duì)準(zhǔn)天空任何方向，都能接收到這種作為“噪音”的輻射，他們稱其為“宇宙背景輻射”，經(jīng)過(guò)測(cè)算，它的頻譜分布正好與絕對(duì)黑體在2.7K時(shí)的

9、輻射分布相同，這與大爆炸后，由于膨脹而降溫，到現(xiàn)在我們宇宙的溫度3K相吻合，這就是現(xiàn)在人們常說(shuō)的“3K背景輻射”。又如，根據(jù)大爆炸宇宙論，到目前這個(gè)狀態(tài)，氦核在各星系中的豐度大約為30左右，而天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)氦核在各星系中的豐度幾乎都在2327，這種驚人的吻合是其它任何宇宙論或天體演化學(xué)說(shuō)望塵莫及的。再有，我們已知太陽(yáng)系的年齡大約50億年，銀河系中最古老的球狀星團(tuán)的年齡約為100億年， 而宇宙中最古老的天體紅巨星的年齡也不超過(guò)150億年， 而由大爆炸宇宙論估算的宇宙年齡為100 億年到200億年。因篇幅所限，這里僅舉此3例說(shuō)明該理論被天文觀測(cè)支持的概況。雖然還存在不少疑點(diǎn)，但越來(lái)越多的科學(xué)家認(rèn)為，

10、大爆炸宇宙論還是比較有希望獲得成功的。按照這個(gè)理論，宇宙在時(shí)間上是有起點(diǎn)的，大爆炸開(kāi)始那一瞬間，就是時(shí)間的起點(diǎn)，是時(shí)間的零點(diǎn)，時(shí)間的零點(diǎn)已經(jīng)不能隨意選取了。零點(diǎn)以前，即大爆炸以前，談?wù)摃r(shí)間是沒(méi)有意義的，顯然，時(shí)間均勻性已被破壞，時(shí)間平移不變性已不存在。因此，從邏輯上說(shuō)，如果承認(rèn)宇宙大爆炸，就等于承認(rèn)時(shí)間有了起點(diǎn)，時(shí)間平移不變性已經(jīng)不存在，能量守恒也不能用諾特爾定理證明其正確了。三、能量守恒定律受到挑戰(zhàn)不能從理論上證明能量守恒定律，不等于能量就不守恒了，能量到底是否守恒，還必須用實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。從能量守恒定律的建立歷史，我們知道，這個(gè)定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)非常雄厚，到目前為止還沒(méi)有一例顯示能量不守恒，因此直

11、接測(cè)定一個(gè)封閉系統(tǒng)的能量是否守恒仍然是一件非常困難的事。在這里筆者試提出，測(cè)定各種基本相互作用常數(shù)是否隨時(shí)間變化，也許是一種可行的途徑。到目前為止，物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，我們宇宙中存在著4種基本相互作用，它們是：萬(wàn)有引力相互作用，電磁相互作用，強(qiáng)相互作用和弱相互作用。各種相互作用都決定于對(duì)應(yīng)的相互作用常數(shù)，而每種基本相互作用常數(shù)不但決定了每種作用的強(qiáng)度，也決定了相互作用的能量。比如，萬(wàn)有引力常數(shù)G就決定了物體之間相互作用的引力能1，而G的變化，也將使引力能發(fā)生變化。雖然引力常數(shù)G是4 種基本相互作用常數(shù)中最小的一個(gè)，但是由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用高精度激光測(cè)距技術(shù)，不但可以將地球與月球間距、地球與衛(wèi)星

12、間距、月球與衛(wèi)星間距精確測(cè)定出來(lái)，而且也可以把這些距離的微小變化測(cè)量出來(lái)，從而使得萬(wàn)有引力常數(shù)G隨時(shí)間變化率（GG）的測(cè)量成為可能。 最近有報(bào)道2，這個(gè)變化率大約在每年10-11左右，并且肯定地說(shuō)，不論變化的原因是什么，變化確實(shí)存在。這是一個(gè)十分重要的信息，它一方面說(shuō)明孤立系統(tǒng)的能量隨時(shí)間變化，能量不再是一個(gè)守恒量。比如，根據(jù)物理學(xué)有關(guān)公式的計(jì)算1，由于G的這一變化，太陽(yáng)的固有引力能每年有2.4×1030焦耳的改變；太陽(yáng)系各星體間相互作用的引力能，每年也將有4×1023 焦耳的變化。另一方面，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，如前面說(shuō)到的單擺和上拋小球，由于G隨時(shí)間變化， 今天測(cè)定單擺的周期和小球回落所經(jīng)歷的時(shí)間，都與昨天測(cè)量結(jié)果有所不同，這都是由于宇宙在時(shí)間上有了起點(diǎn)的緣故。而這一點(diǎn)對(duì)宇宙大爆炸理論又是一種支持。其它相互作用常數(shù)隨時(shí)間變化都將使孤立系統(tǒng)的能量不再保持恒定不變。最后，對(duì)這一問(wèn)題做兩點(diǎn)說(shuō)明。第一，前面已說(shuō)過(guò)，能量守恒定律大約經(jīng)過(guò)200年的考驗(yàn)， 沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象違背這一定律，現(xiàn)在怎么忽然說(shuō)它不成立了呢？這可以用測(cè)量精度不高來(lái)解釋，即使現(xiàn)在測(cè)量精度提高到數(shù)千億分之一（10-11），但要實(shí)地測(cè)量一個(gè)孤