宇宙的总能量及能量是否守恒

by Johannes Koelman

宇宙的总能量及能量能否守恒
是能量守恒?“固然是!”任何一个只要根基物理常识的人城市回答。更得当的回答应当是:“假如你不能给我看一台运转中的永动机，那就给我闭嘴，别再浪费我的时候了!”

能量守恒是经得起时候考验的一孔之见。尤利乌斯·冯·梅耶(Julius von Mayer)是第一个以最清楚的形式提出这个概念的人:“能量既不能缔造也不能扑灭”。那是近170年前的事了。

那末为什么要质疑节能呢?

物理学的风趣之处在于，你挖掘得越深，你就越被迫思疑现有的道理。深入摸索宇宙，让引力成为首要特征，能量守恒就变得不那末明显了。

比来，一些物理博客起头会商能量守恒在宇宙标准上的感化。你能够会惊奇地听到，他们似乎都以为在宇宙标准上，总能量是可以缔造和扑灭的。肖恩·卡罗尔在《宇宙差别》上得出结论:
“最好是……”只要认能够量是不守恒的
科学2.0的Sascha Vongehr分歧意Sean的特别措辞，但得出了一样的结论:
"能量守恒在广义相对论中不建立"
我以为他们都错了。能量在宇宙标准上也是守恒的，但我们必须从正确的角度来看待它。试图用传统的方式来界说宇宙的总能量用体积加法来界说宇宙的总能量很快就会碰到各类百般的困难。总能量不能界说为很多小体积能量的总和。这个题目标关键是不存在所谓的“引力能密度”。引力能是非局域的。大概更正确地说:它本质上是全息的。

为了把握引力能的全息性质，我们首先需要了解时空视界的概念。

从黑洞视界到宇宙视界
在比来的一篇文章中，我具体论述了黑洞的波尔模子。出现的图片以下:

黑洞可以用它的视界来描写。对于一个内部观察者来说，这个视界可以被以为是一个球面，在这个球面上有大量的光子以光速活动。光子的数目与球面的概况积成反比，每个光子的能量与球面的曲率成反比，换句话说，能量与球面的周长成反比。将光子的数目与每个光子的能量相乘，获得总数视界的能量，是以黑洞的总质量或能量，与它的周长成反比。在自然单元中，这个比例是这样的:

黑洞视界能量=视界周长/ 4π

右侧，视界周长除以4，我们称之为视界半半径，或HHR。

外界的观察者把视界看做是光不能发散的鸿沟。这就是黑洞“黑”的缘由。一个接近视界的物体发出的光，可以到达远处的观察者，可是很难做到这一点。这一困难表示为当物体接近视界时红移的增加。越接近视界，光芒就越延长到远处的观察者。在视界上，红移变得无穷大，物体发出的光延长到无穷波长，物体消失在视野之外。

所以黑洞视界可以诠释为我们可以观察到的空间地区的鸿沟。光子能以有限红移到达我们的空间地区。

宇宙视界限制了我们可以观察到的宇宙。一个物体离视界越近，它的红移就越多。

但我们还有另一个这样的鸿沟:我们的宇宙视界。我们可以观察到的宇宙的鸿沟。星系离宇宙的视界越近，它们的红移就越多。就在宇宙的地平线上，红移变得无穷。这个宇宙的视界，就像黑洞的视界一样是一个球面。它包围了我们的“回首宇宙”。宇宙可观察的历史。可观察宇宙的HHR用自然单元暗示是惊人的10^61(是的，就是一个1前面随着61个0……)。

现在是关键的一点:假如我们把一个能量即是它的HHR或半半径的黑洞视界联系起来，那末我们必须把一个类似的能量与宇宙视界联系起来。可是…这个宇宙视界的能量带有一个负号。有几种方式可以证实宇宙的视界能量必须有一个与黑洞的视界能量相反的标记。最简单的方式是熟悉到宇宙的视界是向我们曲折的，而不是像黑洞的视界那样阔别我们。所以宇宙视界的总能量，视界面积乘以它的曲率，带有一个负号由于它的曲率有一个与黑洞相反的标记。

另一种表达方式是宇宙视界是一个由内而外的黑洞视界。有些人喜好把这样的视界称为白洞视界。

这一切都变得相当模糊和暗示笔墨游戏。就今朝的目标而言，你应当接管这样一个究竟，即我们从“内部”观察到的宇宙视界和我们从“内部”观察到的黑洞视界，在决议它们的能量时，带有相反的标志。

这样一来，一切大范围的能量守恒题目都云消雾散了。它是与宇宙视界相关的能量，肯定了宇宙总能量的簿记。我们已经肯定了宇宙HHR的巨细，所以我们晓得相关视界的能量:

宇宙视界能量= - HHR = -10^61普朗克

可观察宇宙的总质量(包括非光物资)约为2x10^53千克或10^61普朗克。所以宇宙的总能量加起来即是

宇宙能量=质能+视界能量= 10^61 - 10^61 =零零。

贷方和借方合计为零。一路头就是这样，现在也是这样。我们的宇宙有着完善的平衡。

扩大婴儿的宇宙
当斟酌宇宙的起源时，总能量不但守恒，而且更确切地说守恒到它加起来即是零，这是相当重要的。宇宙在无穷的闪光中诞生。它能够也会在一道闪光中竣事。我们能否基于上述的视界描写来建立这类演变的模子?答案是必定的，而且做起来很是简单。

我们没有一个理论来描写普朗克标准的物理，但我们可以经过大胆地将上述视界描写外推到普朗克标准的宇宙起源上来，对大爆炸的一些关键方面停止有按照的猜测。

宇宙一路头是热的。设想一个无穷的空间均匀地布满超热的热辐射。无数光子的能量接近普朗克能量。我们早期的宇宙只是这个无穷空间的一小部分。小几多?我们揣度宇宙只包括几个光子(比如三个)和一个普朗克的总能量。要让这个小宇宙从无起头而不违反总能量守恒，它必须有一个逐步消失的总能量，是以一个小时的能量平衡一个普朗克的能量。只要一个很是小的三光子宇宙能包容这样的半半径。请留意，在无穷空间中，另一个在稍微分歧位置的观察者将体验一个完全分歧的宇宙，它也只包括几个光子。一切这些无穷数目的新生宇宙的总能量都为零。

人们很是熟悉的诠释宇宙学红移的收缩气球类比:由于宇宙的收缩，辐射延长到更大的波长。

这些细小而昏暗的光子小宇宙是若何长大为现在我们称之为宇宙的宏伟气象的呢?奥秘就在于扩大。当新生宇宙起头收缩时，工作变得加倍风趣，特征的数目也在增加。光子的波长和它们之间的相互间隔都增加了，因而这些小宇宙就会长大为更大的宇宙，并起头堆叠。当光子波长和光子之间的间隔增加到本来巨细的两倍时，新生宇宙的HHR增加到本来值的四倍。成果，每一个新生宇宙都增加到本来的4^3 = 64倍，现在包括了2^3 = 8倍的光子。

能量守恒还建立吗?

让我们检查这个。每个光子的波长都增加了一倍，能量也削减了一半。8倍的光子，一半的能量，加起来是每个新生宇宙的4倍能量。每个小宇宙的HHR都翻了四倍，是以每个小宇宙的视界能量也翻了四倍，酿成负4普朗克。4普朗克的光子能量加上负4普朗克的视界能量:这些新生宇宙的总能量加起来仍然是零。

我们得出的结论是，每收缩两倍，宇宙就增加四倍。换句话说:对于一个给定的收缩因子，可观察宇宙的鸿沟必须以一个即是收缩因子的平方的因子从观察者处前进。

1 / 3的普朗克能量光子的波长即是6(一样是自然单元)。用哈勃收缩系数3 ×10^30扩大这个波长，你获得的波长大约是6 x10^31普朗克长度大概大约1毫米。这是宇宙微波布景辐射(CMB)的中心波长，CMB是宇宙大爆炸的残留物。宇宙自己比哈勃收缩时的宇宙小很多。按照上述，宇宙现在的HHR应当即是新生宇宙的巨细乘以哈勃收缩系数的平方。

让我们看看这能否可行。初始HHR为1乘以3 x10^30乘以3 ×10^30获得HHR为10^61。你之前见过这个数字:它是我们当前宇宙所观察到的HHR。

让我们回首一下我们所做的。我们引入了视界能量的概念，一个与视界周长成比例的量。除了这些，再加上总能量守恒定律，我们描写了哈勃收缩，包括大爆炸光子的红移。
使人印象深入的?

嗯，我必须认可我对上面的推导停止了某种水平的逆向工程。假如我从包括分歧数目的光子，或分歧能量的光子的新生宇宙起头，工作就会变得不那末切确。但是，关键的一点是，利用一个简单的视界能量图，人们可以了解致使总能量为零的能量平衡，并把握一个辐射主导的宇宙的收缩。一样的视界图像也可以用来推导由物资主导的宇宙的收缩(其巨细随收缩系数的3/2次方而增加)。

所以，当被问到“能否有能够建造一台发生能量的永动机?”你晓得该怎样回答。你回答说:“这样的机械也许是能够的，但条件是你能把它延长到宇宙的视界之外。”这个答案会让他们完全困惑，甚至能够让他们闭嘴。假如他们机智地问了接下来的题目“阿谁视界有多远?”，你会回答“现实上不是那末远，阿谁间隔的平方根大约是来自豪爆炸的光的波长，大约是一毫米。”永久不要摧毁他们的希望。