2012大学生物理实验研究论文
浅谈能量守恒和宇宙大爆炸
石亚丹
（东南大学 经济管理学院，南京 210096）
摘要: 从暗物质角度揭示宇宙大爆炸开始时的状态,能量守恒的前提条件是否成立,最初能量从何而来。
关键词:宇宙大爆炸; 量子力学; 暗物质; 能量守恒
Conservation of energy and The big bang
Shi Ya Dan
(School of Economic Management of Southeast University, Nanjing 210096)
Abstract: Reveal the primary state of universe before the big bang in terms of the dark matter,does the precondition of conservation of energy establish ,where the primary energy come from
Key words: the big bang;quantum mechanics;dark matter;conservation of energy
宇宙大爆炸理论是根据天文观测研究后得到的一种设想。根据大爆炸理论，宇宙是在大约150亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度，同时根据广义相对论的弗里德曼模型，宇宙空间可能膨胀。延伸到过去，这些观测结果显示宇宙是从一个起始状态膨胀而来。在这个起始状态中，宇宙的物质和能量的温度和密度极高。广义相对论将其引申为奇点.由此而产生了宇宙的最初能量从何而来,这是否与能量守恒相矛盾等问题.
作者简介：石亚丹（1993-），女，本科在读。
从暗物质角度揭示宇宙大爆炸开始的状态.
暗物质与暗能量代表了宇宙中90％的物质能量.
下面我们介绍一种暗物质的计算方法.
如图1所示.假设蓝色的物体是地球，白色球体的半径为地球物质的穿透距离L，地球的平均密度为ρ，地球的半径为R。
图1 地球模型图
我们在地平线上一点采用一物体M1来测量地球的万有引力(该物体的重量)。则可以得到如下的结论：
地球参与引力物体的体积（重叠的部分）V1为
,
地球的体积为
，
地球的暗物质质量（未参与引力的质量）为
V2ρ=(V-V1)ρ
即：
对于天体之间，由于相距距离很远，暗物质质量的计算可以采用视面积与万有引力同该天体穿透距离的乘积来近似计算万有引力的作用体积。其中参与万有引力的物质区域V会存在一定程度的屏蔽，建议取平均物质作用密度。
作者简介：石亚丹（1993-），女，本科在读。
暗物质是宇宙中重要的组成成分,在很大程度上,是暗物质促成了宇宙结构的形成,暗物质使宇宙的所有物质保持一定得形状，假如没有暗物质，连原子的排布都会不整齐，更别谈产生各种行星恒星和星系以及人类了。在大爆炸开始前宇宙中充满了暗物质，大爆炸产生的放射性微粒，把中子里的电子击出，使之围绕中子微粒旋转就形成了大量的物质，也就是宇宙的产生，那些大量的没有被击出电子的中子微粒，则还仍然以暗物质状态存在。反物质在宇宙大爆炸时已经和物质中和而消耗殆尽,但暗物质做为能量的载体却在宇宙中无处不在.
宇宙大爆炸与能量守恒是否矛盾
能量守恒,可理解为同一能量体系，在任何参考系中的能量值均相等。可表示为下列公式.
∑E＝∑E"
∑E≠∑E"+Δ∑E"
∑E—∑E"＝Δ∑E"=0
2.1能量守恒存在的前提条件.
对于能量守恒的前提条件是否成立,目前21世纪主流科学对于这个问题的答案是不确定的。
一方面，在目前各种物理学教科书和学术专著中，都认为能量守恒是“物理学基本原理”。另一方面，量子力学的海森堡测不准原理认为时间与能量是一对泛共轭物理量，时间不确定性物理量与能量不确定性物理量的乘积是常数。也就是说，能量守恒是时间平移群变换下的不变量,这是明显和宇宙起点大爆炸模型理论有矛盾的。
能量守恒定律是自然界最普遍的规律之一，是不可能违背的,可是任何定律都是有适用条件的。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.
2.2最初的能量从何而来
需知物质即能量。宇宙大爆炸理论的基本依据是开始有一个聚集高能力的点，这个点爆炸产生了宇宙，所以不违反能量守恒定律 .宇宙的总能量为零。根据量子力学不确定性原理，宇宙的总能量和能量的变化率不能都为零，所以真空中必然有一定的量子起伏，例如真空中的实虚粒子对。宇宙就是由这样的量子起伏产生的。物质产生后具有正的能量，而随之产生的引力场具有负能量，用量子场论处理时这两部分之和---数学上就是一个场的量子涨落。所以宇宙有正负的能量起伏但保持总和及总能量为零。我们通常所说的能量只考虑了正能量，即质量表现出来的那一部分（动能，内能，核能等都可由e=mc²归结到质量，这个质能等价公式涵盖了一切正能量部分），而没有涉及引力场但是需要注意的是,正负电荷相离也有负能量的表达式，但e=mc²能涵盖它，真正的负能量只有引力场。因为质量才是宇宙最初的创生的属性。
所以宇宙大爆炸并不与能量守恒相矛盾。
作者简介：石亚丹（1993-），女，本科在读。
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