魏星航

摘 要：能量守恒定律最初是一個經(jīng)驗定律，是從大量的實驗中總結(jié)出來的。人們后來通過研究對稱性與守恒定律的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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?wù)摃r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(chǔ)出現(xiàn)了裂痕。

關(guān)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(jié)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(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變。這就是能量守恒定律。

系統(tǒng)中流入的能量之和必定等于流出能量之和與系統(tǒng)內(nèi)部能量變化之和，能量能夠轉(zhuǎn)換，從一種形態(tài)變?yōu)榱硪环N形態(tài)。系統(tǒng)中儲存的能量增加等于流入系統(tǒng)的能量總數(shù)減去流出系統(tǒng)的能量總數(shù)。

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(xù)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(tài)演變而來的，并經(jīng)過不斷的膨脹到達今天的狀態(tài)。

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(xiàn)象意識到能量是不能創(chuàng)生的，后來通過實驗，總結(jié)出了能量守恒定律，這時，它還是一個經(jīng)驗定律。上世紀初，德國著名數(shù)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(yīng)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(chǔ)，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(zhì)運動延續(xù)性的度量。人們在千百年的觀察過程中發(fā)現(xiàn)，時間是均勻的，意思是表示一件事情的延續(xù)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(guān)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(fā)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(jié)果支持之前，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論曾占據(jù)統(tǒng)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(tài)發(fā)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(jié)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(tǒng)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(shù)的辦法來確定一個封閉系統(tǒng)的能量。例如萬有引力常數(shù)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(fā)生變化。王燕生教授的論文中提到，萬有引力常數(shù)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(tǒng)的能量確實是隨時間變化的，能量不再是一個守恒量?？蛇@與200年來的實驗結(jié)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(shù)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(tǒng)的能量隨時間的變化量仍然是不可能的。根據(jù)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(shè)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(guān)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(chǔ)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(zhàn)和質(zhì)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(chǔ)條件和測量值范圍內(nèi)，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(zhì)能密度為無窮大的點（譬如黑洞和大爆炸初期）來說，任何現(xiàn)有的物理學公式都是無意義的。在大爆炸之前，現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來。而宇宙大爆炸理論受到了越來越多觀測結(jié)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(yè)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(jīng)貿(mào)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