浅析能量守恒与宇宙大爆炸

魏星航

摘 要：能量守恒定律最初是一个经验定律，是从大量的实验中总结出来的。人们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的某种对称性引起的。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，大爆炸开始的那一刻为时间的起点，这一瞬间之前，谈论时间是没有意义的，破坏了时间的平移不变性，能量守恒定律的基础出现了裂痕。

关键词：能量守恒 宇宙大爆炸 时间平移不变性

中图分类号：P15 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）12-0-01

大爆炸理论从提出的那一天开始就饱受非议，但是越来越多的天文观测结果支持这一理论，只要这一理论基本正确，那么有一个哲学问题凸显在人类面前：时间有没有起点？倘若宇宙大爆炸成立，则时间不变性变得毫无意义，从而无不变性，则也就没有能量守恒。所以能量守恒定律在宇宙大爆炸的研究中充满危机。

一、能量守恒定律

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。这就是能量守恒定律。

系统中流入的能量之和必定等于流出能量之和与系统内部能量变化之和，能量能够转换，从一种形态变为另一种形态。系统中储存的能量增加等于流入系统的能量总数减去流出系统的能量总数。

二、宇宙大爆炸

宇宙大爆炸，简称大爆炸，是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型，这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为：宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，并经过不断的膨胀到达今天的状态。

三、能量守恒与时间平移不变性

人类从观察到的众多自然现象意识到能量是不能创生的，后来通过实验，总结出了能量守恒定律，这时，它还是一个经验定律。上世纪初，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[1]。能量守恒源于时间的平移不变性，时间是物质运动延续性的度量。人们在千百年的观察过程中发现，时间是均匀的，意思是表示一件事情的延续性有意义的只是时间间隔，和时间本身的起止时间点没有关系。从A到B的匀速直线运动用时2分钟，无论是在早上8点还是晚上8点，用时都是2分钟。时间的均匀性意味着我们的宇宙在时间上是无始无终的，这是一个推理，也是一个出发点，然而，大爆炸理论冲击了这种观点。

四、宇宙大爆炸与时间平移不变性

在宇宙大爆炸理论受到越来越多的观测结果支持之前，稳恒态宇宙论曾占据统治地位。这种理论认为我们的宇宙从来如此，虽然它在不断变化，但是它在时间上是无始无终的，空间上是无边无沿的。这种理论是能够支持时间平移不变性的。但是大爆炸理论不这么认为，宇宙在有限的时间之前，从奇点状态发生了大爆炸，这样意味着时间是有起点的。大爆炸的这一刻，就是时间的起点，在这之前，没有时间这个概念。显然，时间的均匀性被破坏了，时间的平移不变性不复存在。如果承认了宇宙大爆炸理论，等同于承认了时间是有起点的。这样，就不能够使用诺特尔定理证明能量守恒定律的正确了。这样看来，也许人类要从新认识能量守恒定律了。

五、能量守恒与宇宙大爆炸

能量守恒定律不能从理论上证明，不代表能量守恒定律不成立。有200年的实验结果来支持能量守恒定律的成立，故不能简单地判定能量守恒定律不成立。测定一个封闭系统的能量是否守恒是一件十分困难的事情，东北大学王燕生教授认为，可以通过测定基本相互作用常数的办法来确定一个封闭系统的能量。例如万有引力常数G决定了物体之间相互作用的引力能，G值的变化，也将使引力能发生变化。王燕生教授的论文中提到，万有引力常数G的变化率在每年10-11左右，并且肯定地说，不论变化的原因如何，变化确实存在。

这是一个十分重要的信息，它说明了孤立系统的能量确实是随时间变化的，能量不再是一个守恒量。可这与200年来的实验结果不相符，有一种解释是，万有引力常量的变化率在10-11这个数量级，以前的测量精度达不到这么高，即使能够达到这个级别，实地测量一个孤立系统的能量随时间的变化量仍然是不可能的。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，也就是说，时间很可能有起点，这同时支持了宇宙大爆炸理论。

还有种说法是，能量守恒与宇宙大爆炸之间虽然存在一定的理论冲突，但并不能否定相关的物理研究实验成果。从宇宙大爆炸的角度看，虽然其理论基础打破了时间平移不变性，对能量守恒定律提出了一定的挑战和质疑。但是，从科学的角度上看，能量守恒的实验研究，在基于一定的基础条件和测量值范围内，能量守恒定律是可行的[2]。

第三种说法是，对能量守恒定律来说，宇宙大爆炸是个“奇点”。对于在质能密度为无穷大的点（譬如黑洞和大爆炸初期）来说，任何现有的物理学公式都是无意义的。在大爆炸之前，现在意义下的时空都不存在，自然也不可能存在力的积累，比如动量等，能量守恒，意味着事物的运动变化可不需外因，并且，任何事物都可以归作整体观[3]。

能量守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，宣告了第一类永动机幻想的彻底破灭。能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来。而宇宙大爆炸理论受到了越来越多观测结果的支持，是很有可能性的理论，对两者的研究都能够帮助人类在物理科学事业上获得新的认识。

参考文献

[1]王燕生.能量守恒和宇宙大爆炸[J].东北大学学报（社会科学版），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]. 经贸实践，2016，（22）：266. [2017-08-24].

[3]石亚丹.浅谈能量守恒和宇宙大爆炸.http：//www.docin.com/p-672063557.html.[2017-08-24].endprint