还是关于能量质量守恒的问题,物理高手来!

何香涛，北京师范大学天文系教授。毕业于北京师范大学物理学系，毕业后留校任教。现任中国天文学会副理事长，北京天文学会理事长，发表多篇天文学著作，是我国著名的天文学专家。

内容简介

大爆炸模型认为，最初的宇宙是超高温、高密度的“一点。”大约180亿年前，这“一点”突然爆炸了，仅用10-36秒，伴随着真空相转移的过冷却现象， “一点”了瞬间几十个数量级的膨胀，成为一厘米规模的宇宙。其后宇宙继续膨胀，温度从几十亿摄氏度开始下降，大约在5500万摄氏度时，由降温过程的能量，生成中子、质子，它们又合成原子核，这些过程仅有3分钟。约30万年后当宇宙的温度下降到3000摄氏度时，自由电子被原子核捕捉形成原子。在随后的大约3000万年中那些原子继续向外膨胀。宇宙也继续冷却,到宇宙温度降至绝对零度之上167度时，原子开始化合形成稀薄气体。此后因密度波动、引力作用等开始向新的天体进化。再经过100多亿年，显示出多种多样的物质形态，成了今天的宇宙。自从150亿年前的宇宙大爆炸之后，星体和各星系一直各自向外飞散。理论上讲，相互维系的重力应该减慢这个膨胀的速度，但是事实并非如此，实际上膨胀还在加速进行。美国普林斯顿大学的斯坦哈特说，宇宙无始、无终，一次次宇宙大爆炸将会永不止息，不断发生。

全文

上一讲我们介绍了宇宙是怎样通过大爆炸以后来诞生的，上一次我们只讲了宇宙从大爆炸，然后呢，仅仅的持续了多长时间呢？仅仅持续了三分多钟，也就说我们的宇宙基本框架就形成了。下面我们看，三分钟以后宇宙怎样演化，怎样一步一步的演化到我们现在的星球，现在的宇宙状态。那么我就要问一个最简单的问题，也是最通俗的来问，是先有的鸡还是先有的蛋？我要回答什么问题呢？我要回答的是星系是怎样形成的这个问题。

的的确确现在有两种理论，那么哪两种理论呢？我们来看一下，这个图就是一个典型的宇宙从一开始大爆炸以后，逐步演化的一个示意图。那么一开始呢，那一点就是大爆炸，大爆炸以后呢，宇宙不断的膨胀，同时温度也在不断地降低。那么中间的那一部分，就是我们现在看到的宇宙的背景辐射，或者叫做微波背景辐射，那么再往外边看到，宇宙在一点一点降低以后，物质慢慢就温度就越来越降低，越降低以后呢，物质的分子结构就越来越大。换句话说呢，这个物质就开始大家往一块靠，就开始形成一些小的团块，这些团块在再慢慢聚合，一步一步地就形成后边大家看到的，这个星系。也就说由一点一点聚合，就聚合成星系了。

如果按照这个顺序的话，不管怎么说，后边这一段是由小的团块一点一点形成大的团块，那就相当于我们说的先有的蛋后有的鸡，就变大了。但是还有一种可能，突然之间就先形成一些大的团块，然后一点一点大的团块再把它分裂，那就是说的先有的鸡后有的蛋。那么从什么时间开始形成星系呢？就是这个宇宙的温度我们说最初非常非常高，有一千亿度，如果说再往回追溯的话呢，甚至比一千亿度还要大。那么在这么高的温度下，我们说它不可能形成物质团块。那么温度降低到四千度的时候，这个时候这些物质的温度就凉下来了，冷下来了。然后呢，大家有可能坐在一起来谈了，就可以靠拢了，所以到了四千度的时候，宇宙中就开始形成物质团块，换句话说，引力就开始起作用，这就是我们星系开始形成的时间，这个时间呢，大约是在宇宙爆炸之后的十亿年，宇宙从爆炸以后，到了十亿年，就开始形成物质团块了。就按照这个图，叫做top-down，就先形成非常大的团块，宇宙一冷下来以后，突然之间这冷下来之后，大家就是非常的高兴，非常的欢呼，原来都在激发状态，谁也不得安宁，突然一冷下来以后所有物质成团了，只有成团了才能沉淀下来，先成团了一个很大很大的团块，多大呢，就像一个大饼一样，这个大饼成了以后，再慢慢慢慢分裂，就形成了下边的一个一个的星系。这是一种可能，这就是说，先有的什么？先有的鸡后有的蛋，先形成大的团块，然后再形成现在的星系。

还有一种可能，叫bottom-up，就是先形成小的一些物质，就是团块。然后这些小的物质一点一点来凝聚，最后凝聚成什么？一个一个的星系，总之不管是由大块变成小块的，还由小块的变成大块的，总之要形成什么？形成我们现在的星系，也就是说，宇宙大爆炸之后，大约十亿年，就开始出现形成了星系。

这个图是一个模拟图，就模拟一下这个星系是怎么形成的，现在就是做一个它的模拟过程。你看这些个团块在相互之间互相吸引，并合在一起，最后呢，形成了几个星系，好，就形成这个星系，那么我们这个动画呢，最初看到几个团块是由哈勃空间望远镜拍摄下来了，我们然后模拟，那些团块根据我们这个模拟过程最后就形成这个星系。

那么现在宇宙中有多少星系呢？数也数不清，我们再看几个，那么这就是真实拍下来的宇宙空间的一部分。你会看到什么，弥漫着很多的物质，这些个物质呢就在不断地形成新的星球，不断地形成新的星球，那么宇宙中和我们银河系一样的星系多不多，太多了，就宇宙中有很多很多和我们银河系一样的类似的星系，你要说我们银河系漂亮不漂亮，跟这个星系比的话，可能还没有这个星系漂亮，这个星系叫做漩涡星系，中间有一个核，是非常漂亮的，所以这个星系在那儿不停的旋转，这就是一个和我们银河系类似的一个河外信息。我们再看一个，这也是一个星系，这个星系呢不那么旋转，我们把它叫做椭圆星系。它是一个椭圆形的，但是这个星系个非常大，这个椭圆星系往往比漩涡星系个头还要大。那么椭圆星系在宇宙中也非常多，我们再看一个，你看这个星系有什么特点呢？一边有旋转，另外它中间那个核不是一个圆的，有点像一个棒槌一样，所以我们管这个星系叫做棒旋星系。

这是另外一个星系，这个星系还有一个小兄弟。你看星系左边它还带着一个小的星系跟它连在一起，好像是一个大星系牵着一个小弟弟，两个星系连在一起，样子非常好看。就像一个大的手臂一样，把那个小的星系牵在一起，这也是一个巨大的椭圆星系，这个就比星系的规模要大的多。你看上边那些个点，每一个点就是一个星系，星系和星系组合在一起，是什么呢？叫做星系团，就是星系和星系也可以组合在一起，成为一个更大的家庭，我们叫做星系团。这个就是一个星系团，这个星系团是目前离我们银河系最近的一个星系团，叫做仙女座星系团，离我们最近。

我们说了半天，我们银河系是不是一个星系，当然我们银河系是一个星系，有人就问了，那你告诉我银河系星系是什么样子的。这非常困难，因为我们在这个星系里边，是无法看到我们星系全部的面目，我们只能看一部分，看看太阳这边的是什么状态，再看看太阳那边是什么状态，然后我们大体上就把我们的银河系描绘出来了。那么描绘的结果，有一个星系和我们的银河系应该是非常相像的，就是这个星系，这个星系叫做仙女座大星云，这个大星云也是离我们最近的星云之一，这个星云不但是我们的姊妹星云，而且这个星云在历史上立了很大的功劳。

我在上一讲提到了，哈勃证明了我们的银河系之外还有银河系，和我们银河系一样的，怎么证明的呢？就是通过这个星系来证明的，具体说它在这个星系里边找到了单个的星，不但找到了这个星，而且通过这个星测出了仙女座大星云的距离，发现这个仙女座大星云，绝对不会是处在我们银河系里边，那么在哈勃之前大家有一种看法，这个就是我们银河系里边的一些星云，所以当初把它叫混了，我们管它叫仙女座大星云。而这个仙女座就不然了，它是我们银河系一样的一个星系。首先有星系，然后星系里边再诞生了各种的恒星，那么恒星周围再有星星的家族。那这样的话，我们这个宇宙就慢慢诞生了，包括人类也就通过宇宙的演化，各种的高等生命，也就诞生了。

我们谈到这个地方以后大家会想到，你谈了这么多，谈到了现在了，你能不能谈谈未来，我们的宇宙将来怎么办？所以问题就变成我们的宇宙会终结吗？虽然我们说宇宙的终结离我们是非常非常遥远的事情，但是你不得不考虑。特别是作为科学家来讲，作为天文学家来讲一定要回答这个问题，我们的宇宙会不会有终结？我们再回过来看一下宇宙的演化，你看宇宙从最初一点，一步一步往下演化。我刚才说了，那么到了图的右边你就看到，通过星云以后，最后形成了很多星系，星系里边有恒星，那么恒星周围可能有行星，有可能诞生高等生命。那么宇宙还要往下膨胀，这个宇宙会不会无休止的膨胀下去呢？这是摆在天文学家面前一个非常严肃的问题，你必须回答，不然的话，你这个天文学研究可以说研究得不够彻底，对宇宙的了解还非常有限。天文学家正在努力去回答这个问题，那么通过反复地研究，我们发现我们的宇宙的走向大概是这个样子：我们先说一下这个图，这个图的横坐标就是时间，这个纵坐标就是宇宙的大小，那么靠近坐标轴的这个地方的绿线就是我们目前的状态，就是我们目前宇宙的位置。我们宇宙有三种可能，第一种可能就是最上边那个红线，这个可能就是我们的宇宙一直膨胀下去，一直膨胀下去，而且膨胀的速度是越来越快，往外膨胀，这是的宇宙一种可能。那么中间呢，第二种可能宇宙也是在膨胀，但是它膨胀的速度比较慢一点，比较平坦，也在膨胀，也会是不断地膨胀下去。那么第三种状态，就是最下边那条蓝线，它说呀我们目前的宇宙的确是在膨胀，但是我们宇宙膨胀以后呢，还会收缩，就是说从最初出发以后，膨胀一段时间以后，经过若干若干年以后，还会要收缩回来。

这个理论告诉我们，宇宙有这么三种可能性，天文学家就回答了，哪一种是正确的？怎么来回答呢？那么现在要回答这个问题，从理论上讲很简单，从实测上来讲很困难，为什么说从理论上很简单呢？这个宇宙究竟是继续膨胀下去，或者是膨胀的速度很快，或者是膨胀的速度很慢，还是膨胀膨胀以后就收缩回来，主要取决于我们宇宙中的平均物质密度，也就是说我们宇宙中到底有多少物质。如果我们宇宙中平均的物质密度比较高，那么它的引力的作用就会越来越大，那就有可能膨胀一段以后呢，就收缩回来。那么宇宙中如果物质密度比较低，没法拉住，咱们宇宙就一直膨胀下去，就是这样，从理论上讲就这么简单，但是还有一个问题需要天文学家注意，就是宇宙中的暗物质。大家知道我们国家著名的物理学家李政道教授在他的演讲就提到，他说21世纪物理学的一个重要的任务之一就是研究宇宙中的暗物质。

因此这些暗物质非常重要，那么事情是不是到此为止呢？没有。事情到此还没有截止，怎么没有截止呢？最后我们观测发现还有更严重的矛盾，就是把宇宙中的这些暗物质加进来，我们算出来宇宙的年龄也不对，还不正确，还必须有其他的物质，才能造成我们目前的宇宙的状态，年龄才能符合。那还有什么物质？一种是看得见的，一种是看不见的，那么看不见的总之它还在那儿存在。我们现在不但看不见，而且现在我们认为还没有存在的物质就是真的不存在，这个问题就很严重了。有没有呢？现在的回答说可能有，而且有的可能性是越来越大。这个物质说来很有意思，这最早是谁提出来的呢？最早是爱因斯坦提出来的，爱因斯坦在他的广义相对论方程里边随便加了一下，再加上一项我这个方程才能平衡，加的是个什么东西呢？爱因斯坦也说不清，大家就在他加的那一项里边在那儿做游戏。做了半天，爱因斯坦表示很歉意，说我这个宇宙中加的这一项，宇宙常数加错了，他说我这一生中犯的一个最大的错误，就是在我的方程里边加了个宇宙常数。可是没想到我们爱因斯坦过世半个世纪了，我们现在没办法了，又把他这个救命的稻草又拿来了。应该加进去，说爱因斯坦老先生没错，还是应该加进去，不但应该加进去而且十分重要，有可能在真空里边就有物质，真空里面可以取出物质来，那你们想一想如果天文学家把这个事情真正证实了，那我们这个物质的来源呢，那就比过去想象的要丰富的多。我们的真空里边就可以取出物质来，而且这个物质的含量甚至比我们看到的物质的含量还要多，还要丰富，那可真是取之不尽，用之不竭。你就随便取吧，探囊取物，想取多少就取多少。当然这个问题还是比较复杂，需要天文学家包括物理学家共同来解决，天文学家从观测上找到他存在的证据。所以说，李政道教授预言的这个是非常正确的，宇宙中21世纪物理学的一个重要的课题，可能就是研究宇宙中的暗物质。

那么如果说真的宇宙中有足够的暗物质，物质非常多，那就会出现什么状态呢？就像这个图上所描述的，就是最下边的一个状态。什么状态呢？我们的宇宙目前是在膨胀，膨胀膨胀以后怎么样，就慢慢就收缩了，就又收缩到一点。

那么现在天文学家有一个很重要的任务之一，就是不断地来研究宇宙中总的质量究竟有多少，大家知道我们放了空间望远镜，还放宇宙飞船，不仅观测它的光学波段，还观测它的X射线波段，还不够，还观测它的γ射线波段。所有这些目的之一，就想真正了解一下我们宇宙中究竟有多少物质，最重要的是回答我们的宇宙究竟要到那里去，什么时间终结，会不会终结，会不会收缩到一起再重新开始。

我讲了这些以后我不用问你们，你们自然有很多问题。这个实在是太玄妙了，不可思议，肯定有很多不可思议的问题。比方说这个宇宙到底有多大呀？你说了半天，这个宇宙有没有边呀，宇宙是大爆炸，大爆炸开始是怎么回事？大爆炸之前是个什么东西呀？大爆炸的空间有多大呀？那么大爆炸的时候，这么大一个宇宙装在那么一个小的空间里边装得下吗？诸如此类的问题太多了，我先回答一个问题。什么问题呢？我们的宇宙有没有边，这个宇宙到底有多大，那么天文学家会告诉你，这个宇宙是无限大的，你走不到尽头，走多远都走不到。你就不相信，我到任何一个地方去，我从这个地方到另外一个地方去，那么走的时间长一点我总能走到，最远是绕着地球转一圈。我也可以转过去，怎么走不到头呢？我先给大家最简单的演示一下，你看这是一张纸，我把这个纸稍微弯一下，弯成这么一个环。大家知道这个环，你看这个面上如果有一个小蚂蚁在这个面上走，你会发现它怎么样？它走得到头走不到？走不到。它转着圈就回来了。你说这个面有几个面？你仔细看一下，这只有一个面。这就说明什么呢？这我就告诉你一件事情，只要我这个空间把它弯曲了，你就会出现这个现象，就不会再走到头了。就这么简单的事情，你放上一个蚂蚁它在上面走，永远也走不到头。所以说空间只要一弯曲你就走不到头了。这就是我刚才弯的曲面的一个卡通片，你看这个蚂蚁在这个面上走来走去，它会怎么感觉，它认为能不能走到尽头？永远走不到尽头，这个宇宙永远走不到尽头。

那么回过来说为什么永远走不到尽头？就因为在我们目前这个宇宙中，我们量宇宙的距离是通过什么来量呢？是通过光线，根据广义相对论这个光线在宇宙中是弯曲的，而这个弯曲已经被实验证实了。就说通过日全食的观测已经证明了光线的确是弯曲的，因此我们看这个宇宙是永远看不到尽头，所以我们的宇宙是无限的。

另外一点我们要说，你总是想找谁是宇宙的中心？谁是宇宙的边缘？这个不存在。我们说在这个宇宙中根据这个理论，我们宇宙中的任何一点都是平权的。我们说哥白尼把地球为中心搬到太阳为中心，我们就引用他这个名字，把这个原理叫做哥白尼原理。哥白尼原理用在宇宙上怎么说？就在宇宙中各点都是平权的，都是一样的。我们宇宙的话，你站在任何一点来观测宇宙，得到的效果都是一样的，大家都是平权的。这就是说我们的宇宙是一个不会有一个边界宇宙，不会有一个特殊的位置。

那么还要回答一个问题，你说宇宙从大爆炸起始的，那么大爆炸之前是什么？我刚才图里演示了，但是一种可能大爆炸之前也是一个宇宙，它收缩了以后开始大爆炸。那么也可能是有其他的可能性，这个可能性我们目前实事求是的说不是太了解。而且宇宙最初这个物理状态这么极端，我们研究透了没研究透，也实事求是的说也没有研究透，这个状态还是非常特殊。但是不管怎么说，这个大爆炸理论到目前为止无论从理论上还是从观测上已经被大部分人都接受了。所以有种说法，我们管目前的大爆炸理论叫做标准的宇宙。由于这个大爆炸它是一个热的大爆炸，而不是一个冷的，所以我们管这个模型叫做热大爆炸宇宙模型。这个热大爆炸宇宙模型，目前呢，已经被广泛地接受了。

虽然是说广泛地接受了，但是毕竟有好多不尽如人意的地方，想想起来非常困难。特别是我在介绍宇宙最初三分钟的时候你们都很难想像，说是0.01秒我们整个宇宙都装进去，你会想到不要说整个宇宙把地球装进去都很困难。所以不见得令人那么满意，那么就问了？有没有更理想、更令人满意的学说呢？这个回答应该说是有。尽管有的学说还没有被完全的普遍的接受，但是也不无道理。这样的学说很多，我来介绍其中的一个就是霍伊尔的学说。霍伊尔是英国的一位天文学家，他前年去世的，这个人的在天文学上面有很多重要的贡献。那么其中他就创立了一个学说，叫什么学说呢？叫稳恒态学说。他说我简直就不可思议，你这个宇宙起始的时候就那么一个大爆炸，这个不可思议是两方面：一方面你这个物理状态就不可思议。你说是夸克汤，哪来这么多夸克汤？谁来煮这个夸克汤能煮出这么一锅来？所以这个物理状态不可思议。另外一个他说你这个物理规律也不可思议，在那样极端的条件下，目前我们理解的物理规律在那个地方大概早就破坏了。所以他说你那个学说不对，我现在建立另外一个学说，叫什么学说呢？叫稳恒态学说。

它有两层含义，我们以前介绍的时候，往往讲的不是很清楚。哪两层含义呢？就说我们这个物质，目前宇宙的物理状态是比较稳定的，不会有大的起伏，不会有破坏性的，是一个稳恒的状态。第二层含义，这个宇宙不管怎么演化，从最初到现在到将来，它的物理规律都是一致的，就是说宇宙的最初演化到现在，这个物理规律应该是保持不变的。他说我们现在的宇宙模型不错，是在膨胀的，原来的宇宙呢？也是这个样子，只不过比现在小了一点。那么小了一点的话，里边的物质怎么样呢？他就说也少了一点，那过去那个物理状态怎么样？就比现在的密集，所以过去要小的话，里边的物质也少，现在比较大了，物质就增加了。如果我这个宇宙在膨胀，那物质就增加。人家就问了你这个物质怎么来的？他说很简单，怎么个简单法呢？这个宇宙一边膨胀，物质就一边产生，随着宇宙的膨胀，我这物质就不断地在那儿产生。这个理论过去说起来呀，那是大逆不道，我们说我们有种看法认为物质是不生不灭等等，那你物质无中生有，那不是大逆不道是什么？现在看来也不无道理，既然真空中都可以产生物质，那就一边膨胀，就一边有物质产生。这就是霍伊尔的宇宙观的基本思想。那么他这个理论曾经遭到过一些非议，但是，支持的人也大有人在。有很多观测想支持他这个理论，他本人也很聪明，想了很多办法去解释。

我讲了这么多，现在我讲讲我们中国古代的天文观念。我们中国人很聪明，不光在现在，古代我们就想了很多模型。我们来看一下，这个图片就告诉我们，我们中国人古代想出的宇宙，那么这个你看这个模型很简单，但是我要告诉你，这是周朝时候就想出来的，你就觉得不简单了。它像一个锅盖一样，叫做什么学说？盖天说，像一个锅盖盖在那个地方，天上有好多星星，而且在这个基础上编了很多故事。我们这个锅盖可能有好多柱子在那儿支着，有八个柱子，一开始说有四个柱子，后来说四个柱子支的锅盖支不住，八个柱子还支不住，所以那个女娲氏，她怎么办？去补天，她补一补。所以我们想像力很丰富，这是我们的什么说？盖天说。后来发现盖天说有不足之处，到了春秋战国的时候我们又想了一个，叫什么说？不光有一个锅盖盖在上面，下边还有，叫做什么说？混天说，就是我们整个宇宙就混混沌沌这么一个大圆球，我们地球像蛋黄一样，在这个宇宙中间，就叫混天说。所以我们想像力很丰富，根据混天说就造了混仪，这就是通过混天说的观点造的混仪，我们古代这位天文学家叫做张衡。说到这个地方，我就想到这么一个事情，就是天文学有没有用？有多大的用处？

我讲了半天，似乎大家感觉呢，非常的深奥，有没有现实意义呢？我可以回答你这个天文学虽然是非常深奥，但是天文学正是我们人类接触自然科学里边的第一门学科。我说人类接触自然的第一门科学就是天文学，为什么那么说呢？古代人要耕作，耕作的话你要知道春夏秋冬，他怎么知道春夏秋冬？通过什么来知道？就是通过看天上的星象，那么日月我们看一般的每日每月，这个季节呢？它就通过看天上的星象，什么星星出来了，到了什么什么季节了，也就是季节的划分等等都是靠着天文学。所以从最早的话，人类依靠的自然科学就是天文学，所以说这个天还是非常美丽的。研究宇宙呢！还是很有意义的。你看这个小姑娘，在目视着天空，在想宇宙的各种可能的模型以及我们宇宙的发展未来。谢谢大家！
至于物质，尚未清楚

——这是一个初二物理课代表兼地理课代表的建议。

由于大爆炸时的奇点极小属于微观范畴，在此宏观理论失效（或是说近似地失效），而与此同时，量子效应明显（有一个公式可以推，可是有一点麻烦）。故以量子论处理之。在此有一个不确定性公式：能量的不确定性*实践的不确定性 大于等于 普朗克常数。所以在时间小到10^-20 s时，能量的不确定性就会有大的起伏，又根据 E=mc^2 ==>m=E/c^2.所以在这时有可能会突然产生一个电子（与负电子，大多是时候他们会瞬间互相湮灭，还原成能量）。也就是说，在没有物质，没有能量（原本），得情况下，会突然产生物质，即物质诞生于“无”。当宇宙产生是还是微观的一种现象，而至于为什么他没有消失而演变至现在，很抱歉我们生不逢时。

在黑洞的中心奇点，这里没有空间，时间也是混乱的，你越往中心看，那里时间越是过去的时间，而往外看，则能看到未来。

所以说有时候物理学是不能解释这些问题的。

而且，宇宙产生的种种原因都是猜测。或许宇宙的外部还有外宇宙，那里的能量致使能量守恒。

这些只是迷而已。有兴趣，你可以深入的研究，说不定你以后能成为中国的霍金

没有必要深究，科学家们也不清楚

如果大爆炸宇宙模型是正确的，那么宇宙产生的初期就是一个高温高密的奇点，在那样的情况下，引力场大得足以把真空撕碎，如此高温高密的环境下，能量质量是否守恒也是个问题

最初的问题一直没有一个明确的解释。

都认为在最初那一点时，无法用现有的物理理论解释。

总之要建立一个概念，质量等于能量。