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如果能量是守恒的,那么启动宇宙的最初的能...?

 pgl147258 2016-03-06

好问题,首先,描述宇宙必须用广义相对论。
但是,在广义相对论中,很难明确定义什么是宇宙的能量。
如果退而求其次,考虑宇宙任意一点的能量动量张量(可以粗略地理解为能量密度),那么爱因斯坦方程告诉我们,物质的贡献和“引力场”的贡献刚好抵消。也就是说,“物质的正能加上引力场的负能等于0”。这就在某种意义上保证了“能量守恒”。
于是可以理解为,宇宙从0当中借到了能量,获得了创生。


题目确实可以用所谓的Zero-energy Universe 假设来回答。这个假设说的是,宇宙的总能量为零,还是 exactly 为零。引力的能量是负的,物质的是正的,加起来是零。

那为什么是零呢?不是假设一下就算了的。要解释。[1]
但是 Sheldon 在答案中提到了:「在广义相对论中,很难明确定义什么是宇宙的能量。」
为什么很难呢?其实不是很难,简直是不可能的事情,这是 Einstein 的广义相对论本身的基本假设所决定的,罪魁祸首就是那个等效原理,或者说是几何画。
我们把引力几何化之后,原则上来说,就不能再去考虑引力场的能量了。但是我们发现一个很诡异的事情,真空中的引力波是可以携带能量的。也就是说,引力场的能量不得不考虑。
那引力场的能量到底是什么呢?单从量纲来看,Einstein 方程给出了一个想法。Einstein 的方程是什么?

(\(T_{ab}=\frac{1}{\chi}G_{ab}\))
从量纲分析的化,坐标是某点的物质场的能量动量的密度,那么右边也必然是相应的引力场的能量动量的密度吧?(Lorentz 的想法)
很可惜。错了。为什么呢?Einstein 有专门的文章来反驳这种观点,而是支持另外一种观点,就是用一个比较复杂的形式来表示引力场的能量,我们就记作 \(t_a^b\) 吧。
但是呢,这个观点也不完美,因为大家发现这个量有时候是跟坐标系有关的!这!!可!!不!!行!!如果跟坐标系有关,我们还研究个头物理啊。换成极坐标就变个值了,再换成直角坐标就又换个值。那可太诡异了。

后来大家终于意识到了。原来广相里面的引力场的能量是非定域的!一般情况下,我们不能讲某点的引力场能量为多少多少,那就没法算积分从而得知整个体系的了。那么也就是说,我们不能谈一个给定的空间中,引力场的能量是多少多少。

这就是为什么 Sheldon 讲了不好说宇宙的能量。

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那 Sheldon 语录中的「退而求其次」是什么意思呢?

上面我们进入了一个逻辑怪圈。我们虽然承认引力能量存在,但是却说不清楚引力能量到底存在在哪里。
但是这并不能阻止我们聪明的物理学家和数学家们。
虽然我们不能讨论一般性。我们可以讨论特殊情况嘛。或者说,我们可以讨论有适用范围的引力场的能量密度。

如果宇宙是一个完全均匀的存在,那么我们怎么会不能算引力的能量密度呢?这跟我们大家生活的所谓的 Minkowski 空间是共形的,又是几乎平直的,可以分解成 3 维的空间和 1 维的时间。但是有个问题,其实这个分解并不彻底。而且是个随着时间变化的空间,不是稳态的。那也难不倒我们,因为有一个著名的 ADM 四动量,也有朗道—栗氟西兹的定义(我们要用的),等等,他们可以给出相同的总能量积分。

我们可以严格的证明,对于整个宇宙的演化历史来说,由朗道—栗氟西兹定义推导出的一个范围内的能量,对于一个平直的宇宙来说,是零。 [2]


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宇宙起源于一次涨落的说法(Vacuum genesis ),来源于一个叫做 Edward P. Tryon 的人。[3]
据说这是来自于一个笑话一样的讨论,但是 Tryon 却把这个理论做出来了。


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[1] 实际上这个想法最早应该是 Schrodinger 隐隐约约提到的。Schrodinger 曾经注意到对于一个点质量,所有能量分量都为零。但是这个观点受到后来的 Einstein 的反对。
[2] http://link./article/10.1007%2FBF02109127
[3] http://www./nature/journal/v246/n5433/abs/246396a0.html

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