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宇宙的能量从哪来?宇宙学里能量守恒吗?

iseeyu2年前 (2025-01-06)推广102

// 这是一篇比较技术性的讨论,不是特别科普,需要引力基础。写这篇文章的原因是,和 @王清扬 讨论相关问题,但是知乎的网页聊天功能貌似不太好用 ,消息基本发不过去 (*/ω\*)。鉴于相关问题在网上见过好几次,这里整理一下。

要讨论宇宙学情况下能量是否守恒,先要定义什么是能量。

通常,我们至少可以通过以下四种方式定义能量:

宇宙的能量从哪来?宇宙学里能量守恒吗?

1. Noether 定理(Noether 第一定理),通过时间平移不变性定义守恒的能量。在广义相对论里面这相当于用类时 killing 矢量定义守恒的能量。但是宇宙学里,宇宙膨胀破坏时间平移不变性,所以这样不能得到守恒的能量。

2. 考虑引力在无穷远的渐近行为。例如如果时空满足渐近平坦或稳态等性质,则可以通过 ADM formalism 定义能量(渐近平坦 - ADM 和 Bondi;稳态 - Komar 质量)。但是宇宙也不满足这样的条件。

3. 可以通过物质的能量动量张量(即作用量对度规变分)定义能量。这样定义的能量一定是“协变守恒”的,即 。但是,“协变守恒”不包括引力势能,也并不是我们通常说的能量守恒。我们通常说的能量守恒是能量密度乘以体积等于常数。但在宇宙学中,“协变守恒”体现为 continuity equation: ,恰好说明了在有压强的情况下物质能量不守恒。

4. 可以通过 ADM formalism 里面的 Hamiltonian constraint 定义能量。把度规进行 ADM 分解之后,作用量里和 lapse function N 相关的项是一个 first class constraint:N H,解这个约束就得到 H=0。这个结果可以解释为引力加物质总的哈密顿量恒等于零。有人把这个结果解释为,引力的负能量恰好抵消了物质的正能量,所以总能量守恒,等于零。但是,这个守恒定律是 trivial 的,不能给我们有用的结论,只能形式上给我们一个引力的能量定义。更形式化地说,这其实就是 Noether 第二定理,就是说,规范对称性给出的守恒量是 trivial 的。

所以,讨论宇宙学情况下能量是否守恒,要首先明确讨论的是怎么定义的能量。然后在那个定义的框架下,应该一切讨论都是自洽的。

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