能量守恒和宇宙大爆炸

全日制本科生学年论文

题目：（楷体加粗小2号居中）

能量守恒和宇宙大爆炸

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能量守恒和宇宙大爆炸

【摘要】：

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

【关键字】：

能量守恒,宇宙大爆炸,时间平移不变性

【导言】:

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。倘若宇宙大爆炸成立,则时间不变性则变得毫无意义,从而无不变形,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。

【引论】

1、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。

总的流进系统的能量必等于总的从系统中流出的能量加上系统内部能量的变化,能量能够转换，从一种形态转变成另一种形态。

系统中储存能量的增加等于进入系统的能量减去离开系统的能量。

2、宇宙大爆炸

宇宙大爆炸，简称大爆炸（英文：Big Bang）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（根据2010年所得到的最佳的观测结果，这些初始状态大约存在发生于133亿年至139亿年前），并经过不断的膨胀到达今天的状态。

3、时间平移不变性与能量守恒

在量子力学里面，有波函数对时间的偏导等于哈密顿算法作用在波函数上。既然时间平移不变，对时间的偏导是0，也就是哈密顿量作用在波函数上是常数。而哈密顿量的本征值

是能量，也就是能量不变，能量守恒。

4.能量守恒与宇宙大爆炸论述

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，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，前面已经说过，时间均匀性，导致了能量守恒定律，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

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