第七章 宇宙大爆炸遐想

第七章 宇宙大爆炸遐想

 

7.1宇宙大爆炸遐想

     以时间顺序理解物理世界，对具有一定物理知识的人员来说，似乎更容易理顺自然关系。因此，我们就从宇宙大爆炸开始理解我们的自然界。

按照宇宙大爆炸理论，宇宙是诞生于一点，急速膨胀而成，当然是超光速膨胀的。之前一直理解不了，现在慢慢了解得多了，感觉还是有道理的。按照狭义相对论，以无限接近光速的初始宇宙的膨胀速度，不仅质量接近无限大，而且时间运行速度接近无限慢，也就是时间接近无限膨胀状态，体积（空间）自然也是接近无限小的。由于时间运行速度接近无限缓慢，自然是那时的一秒钟会相当于现在的无数秒，用现在无数秒的时间进行无限接近光速膨胀，用那时的时间衡量，宇宙膨胀速度自然是极其快的。

按照广义相对论也可以得出类似的结论。初始宇宙物质极为集中，物质密度趋向无限大，此时似乎不论是否有引力作用，初始宇宙的时间运行速度都是极其缓慢的，趋向于时间停止。初始宇宙此时的一秒钟会是我们现在地球时间一秒钟的无数倍。也就是初始宇宙的一瞬间相当于我们地球时间的很多年，也许会是几万年或几百万年，这取决于初始宇宙的物质密度。而初始宇宙是以无限接近于光速向周围扩展的，由于初始宇宙的一瞬间，就是我们现在地球表面时间的几年或几十年，在那时的宇宙看来，一瞬间，自然是可以膨胀相当于现在几光年的或几十光年的距离的。

可见，无论是根据狭义相对论还是根据广义相对论，初始宇宙都能得出类似的膨胀效果。广义相对论的效果与狭义相对论的效果是否会叠加，这个不好说。应该没有不叠加的理由，究竟怎样叠加也不好说。

   当然，这是站在宇宙内部的角度看，宇宙前期是瞬间完成了大爆炸。按照狭义相对论，宇宙内部会有时间运行速度接近无限缓慢的情况。时间接近无限缓慢，宇宙以无限接近光速膨胀，自然是在其内部的感觉，宇宙膨胀速度远超光速。因为，初始宇宙的一秒钟，也许就是现在的宇宙时间的一万年甚至一亿年。在宇宙初始阶段，短短的几秒钟，宇宙也许就膨胀了几亿光年的距离。

当然，几秒钟后，宇宙膨胀速度大幅度下降，也许需要几分钟，才能继续膨胀几亿光年的距离。自然是，几分钟后，宇宙膨胀速度就更慢了，也许需要几小时才能继续膨胀几千万光年。如此情况继续发展，宇宙膨胀速度继续下降，几天时间，也许只能膨胀几千光年的距离。然后是几年时间膨胀几百光年的距离。再然后是，一年时间膨胀不足两光年的距离，此时，宇宙物质膨胀速度下降到0.87倍光速。

   再然后，宇宙膨胀越来越很好理解了，宇宙膨胀速度越来越小。以至于到现在，宇宙也许已经开始收缩了。只是我们的宇宙太大，我们还感觉不到，也观测不到宇宙的收缩证据。几十亿年后，如果那时还有人类后裔，那时的人类应该就可以观测到宇宙收缩的证据了。

   我们现在观测到的宇宙信息，一部分是几十亿年前的宇宙产生的信息被我们现在观测到了，更遥远的是上百亿年前的宇宙发出的信息，因此，我们现在观测到的宇宙主要就是几十亿年前的宇宙。就是距离我们最近的河外星系现在发生的事情，影响到我们的时候，比如，其产生的引力波或引力影响到我们也需要200多万年。现在我们只是受到200多万年前的距离我们最近星系的引力或光辐射影响。是过去在影响我们，现在只能影响未来。这是速度有限的宇宙时代，不是超距作用设想时代。

   根据宇宙大爆炸理论，还可以方便我们理解万有引力。宇宙大爆炸从初始的极其接近光速，到接近光速，到现在的宇宙膨胀速度，这种变化的原因是什么呢？原因不是光辐射的损耗，这个虽然也消耗着宇宙能量。核心原因就是引力作用，引力的拉扯是宇宙能量耗损的最主要原因。

   物质极其接近光速，蕴含着极其巨大的能量或质量（这里的能量或质量可以等同）。其能量或质量的绝大部分在引力作用下，转变成了引力场。这些分布于空间的引力场，因此，蕴含着极其巨大的能量或质量，宇宙物质的绝大部分能量或质量都转变成了引力场。

   我们现在可以观测到的宇宙物质只占初始宇宙物质的一小部分，初始宇宙的绝大部分能量或质量转变成了引力场。

   初始宇宙物质密度极大，其辐射的引力场强度自然是同样巨大。辐射的引力场强度与物质质量成正比，因此，很有可能，物质辐射的引力场会把物质的运动能量消耗光（引力场就是物质的运动能量转变的），而实现宇宙膨胀的停止，下一步自然就是宇宙物质收缩，这是宇宙膨胀的逆过程。与宇宙大爆炸相比，宇宙大收缩完全是其逆过程，只是方向相反。

   宇宙大收缩初始阶段是低调的，缓慢的，与宇宙大爆炸后期完全一样低调，只是方向相反。但是宇宙大收缩后期就与宇宙大爆炸前期类似了，就高调得多了，最后阶段，与宇宙大爆炸瞬间产生一样，可以认为是瞬间完成收缩。现在看来，宇宙大收缩与宇宙大爆炸过程相反，其中的一个颠倒过来，与另一个完全可以重合，比如，都需要耗费相同的时间。宇宙大爆炸需要多长时间，宇宙大收缩就需要多长时间。

    如果真的如此，我们对引力的理解就可以进一步了。引力场无法脱离物质，引力是物质到物质的作用。引力场不会向没有物质的宇宙空间之外辐射，不然，引力场就会空耗能量。就难以实现完全可逆的宇宙大收缩了。

    光线只能在引力场中传播，引力场是光线传播的介质。因此，宇宙之外没有引力场的地方，自然不会有光线的传播。这也保障了宇宙能量的不损耗。不然，光线就永久地传播出去了，宇宙物质或能量就损耗了。宇宙大收缩就不能与宇宙大爆炸完全可逆了。

我们继续根据狭义相对论究诘宇宙大爆炸历程，我们可以知道，在宇宙物质膨胀速度下降到约0.87倍光速的时候，此时宇宙时间运行速度是现代宇宙时间运行速度的一半，也就是那时的一秒钟是现在的两秒钟。那时的距离长度是现在的一半，那时的一米是现在的半米。如果上帝置身事外观察那时的宇宙光速，如果上帝使用现在的宇宙时间运行速度和距离长度，不会感觉那时的宇宙光速与现在宇宙的光速有什么区别。比如那时宇宙的一秒钟就是现在宇宙的两秒钟，那时的宇宙光速用那时的一秒钟时间前进的距离与现在一秒钟时间前进的距离是完全一样的，不会有任何差别。这些结论确实是令人困惑的事情，这明显与前面的内容不符合或相互矛盾。

问题出在哪里呢？问题出在参考系的选择上了，前面的狭义相对论参考的光速是我们现在地球的光速。在我们地球上理解狭义相对论质量与速度的关系就是这样理解的，某个物体越接近光速，这个物体的质量就会越大，时间运行速度就会越慢，这个物体在自己较慢的时间运行速度体系下，在这个物体上的某个时间长度内，在我们地球人看来，这个物体运行的距离就会很大。如果这个物体运动质量是静止质量地二倍，这个物体的时间运行速度就会慢一半，这个物体上的一秒就相当于地球上的两秒，这个物体运行这个物体上的一秒钟时间，相当于地球上过了两秒钟的时间，这个时间段，这个物体运行了0.87倍光速的二倍乘以光速的距离。

狭义相对论还探讨了长度的变化，虽然只是明确了运动方向上的长度变化，其实，不仅仅是运动方向上的变化，而是全面的长度变化，在任意方向长度都缩小了。如果是这样的，这意味着其尺度会缩小，用缩小的尺子去测量我们地球人所感觉的距离，这意味着运动物体自己感觉的速度会更加快，如果其上面有人的话。如果运动物体的质量是静止质量地二倍，则其长度会缩小到之前的二分之一，其一秒钟的时间长度会相当于地球表面两秒钟的时间长度。这意味着这个物体上的一秒钟，这个物体上的人会感觉到自己一秒钟可以达到四倍的0.87倍光速，如果这个速度是用距离除以时间的话。但在我们地球人看来，这只是用了两倍的时间，走了两倍的距离，速度没有变化。

狭义相对论的时间与长度的变化，是通过狭义相对论相应的公式得到的，无法直观理解，或加以形象解释，或从其他角度得出同样结果。广义相对论可以弥补这些不足，在强引力场条件下或大质量天体附近，空间是萎缩的，或者说空间是稠密的。在我们地球上看来，强引力场条件下的光的运动速度会变小，也就是时间运行速度会变慢，这是空间变得稠密的结果。

时间或长度是由时空密度决定，而时空密度是由引力场或引力子决定的。一份引力场或一个引力子决定一份时空，单位时间内，一份引力场（一个引力子）所前进的时空数量（份数）是固定的。

物质稠密的地方，时空份数（单元）稠密，或者说时空稠密。物质稀疏的地方，时空份数稀疏，或者说时空稀疏。引力穿越物质稠密的空间，由于引力场的份数多或引力子的数量多，耗用的时间自然就多，反之亦然。可以想象，引力子穿越不同区域的空间的速度是不一样的，物质稠密的空间，引力子穿越耗时也多。只能在引力场中存在的光子，自然也遵守同样的规则，穿越物质稠密区域的空间或引力场强度大的空间耗用的时间多。

引力子穿越任意一份时空所耗费的时间是固定的，无论这份时空所占用的体积有多大或处于什么位置。这意味着只能在引力场中运行的光子穿越任意一份时空所耗费的时间也是固定的，与时空所占用的空间体积或时空所处位置无关。

光子穿越任意一份时空所耗用的时间是固定的，这意味着光子在时空稠密区域运行的速度慢，时空稀疏区域运行的速度快。长度属于时空内涵，自然是，长度由光子速度决定，也就是由引力场强度决定，或者说是由物质密度决定。物质密度大的区域，引力场强度大，时空稠密，任意一份时空占用的空间小，相当于长度萎缩。物质密度小的区域，引力场强度小，时空稀疏，任意一份时空占用的空间大，相当于长度膨胀。

时空与引力场息息相关，或者说，时空离不开引力场，时空由引力场决定，时空的本质也许就是引力子或引力场，一份时空也许就是一个引力子或一份引力场。可以认为，一份引力场或一个引力子代表一份时空（一份长度）。空间内分布的引力场份数或引力子越多，也就是时空份数就越多，长度自然就越萎缩。空间内分布的引力场份数或引力子越少，也就是时空份数就越少，长度自然就越膨胀。

狭义相对论与广义相对论的时间效应或长度效应本质是一样的，都是同样的道理产生的。这并不影响狭义相对论的时间与长度效应可以与广义相对论的时间与长度效应叠加，也就是各算各的。狭义相对论的时间与长度效应只是广义相对论时间与长度效应的特例或部分情况，广义相对论的时间与长度效应适合的范围更广一些。我们在计算相对论的时间与长度效应时，不但要计算广义相对论时间或长度效应，还要计算狭义相对论时间或长度效应，叠加计算。

在广义相对论的时空基础上，物质的运动依然具有狭义相对论的时空效应。比如，我们地球表面，已经在宇宙或附近物质的影响下，具备着自己的时空状况。其中的高速运动物体，依然会产生狭义相对论效应，这与固有的时空属性并不矛盾。在大质量天体表面空间，有着自己的时空属性（比如，时间运行缓慢，空间单元稠密），其表面高速运动的物体，依然会产生狭义相对论的时空效应（时间运行得更慢了，空间单元更为稠密了，即在原有基础上进一步强化了）。这个高速运动的物体最终的时空效应，是两个时空效应的综合或叠加。

在有引力场的地方，光线的运动应该就是上面内容介绍的情况。在没有引力场的地方，当然也没有光线的。不过，宇宙大爆炸时，宇宙之外的地方，物质扩散过去，是遵循什么速度，什么道理呢？

引力场是根随着物质扩散而扩散的。没有物质的宇宙之外，是不会有引力场的，而光线只能在引力场中传播，没有物质的宇宙之外，更不会有光线的。如果物质可以向没有物质的宇宙之外扩展，那么一定是物质先行的，不会是引力场或光线先行，虽然引力场或光线也属于物质。如果不是物质向宇宙之外扩展，而是宇宙内部的膨胀，这也太不可思议了，其效果也许与物质向宇宙之外扩展是一样的，不过，这不会是真实的，这不过是一种等效假设而已。

 

7.2光年与时间的关系

 

我们虽然清楚地知道光年是距离单位，是光在一年内行走的距离。但是，我们毫无疑问的会把光年与时间联系起来。比如，某个星系距离地球10亿光年，我们得到的这个星系的光线是这个星系10亿年前发出的光线。这样的结论是想当然地，也没有人怀疑。实际上，这样的结论是错误的。

     距离10亿光年，其光线来到地球并不一定需要10亿年，也许只是8亿年前发出的光线。这又为何呢？原因是，用我们地球的时间或距离来说，光线运行并不是匀速的，而是变速的。在宇宙质量稠密区域，时间运行缓慢，也就是空间稠密，光线在这里运行较慢。反之，在宇宙质量稀疏区域，时间运行得快，空间稀疏，光线运行得较快。

     在星系之间，引力场较弱，空间稀疏，光线运行速度很快。而在星系内部，引力场较强，空间稠密，光线运行速度较慢。因此，以我们地球的时间或距离，感觉的10亿光年外的光线，来到地球，会穿越物质稀疏或者说引力场较弱的星系空隙，光线在这里速度很快，耗用的时间较少，结果是，光线用不了10亿年就可以来到地球表面。

     引力场强度决定时间运行速度，决定光速。物质密度决定引力场强度。反之，如果光线是从物质稠密的区域运行到物质稀疏的区域，光线实际运行的时间会大于光年所对应的时间。

     所谓的空间膨胀就是物质分布密度逐渐稀疏所致，就是宇宙大爆炸阶段，空间膨胀。同理，到宇宙大收缩的阶段，自然会是空间收缩的。

有人认为宇宙有900亿光年的直径尺度（半径450亿光年），其实宇宙大爆炸实现这样的空间尺度，并不需要450亿年，一百多亿年就够了。因此，这个宇宙大爆炸过程中，似乎存在明显的空间膨胀现象，这是宇宙物质稀疏化所带来的必然现象。因此，我们不能把光年这个距离单位，与所对应的时间完全等效。

光年与时间不对应，并不是空间膨胀所致。空间膨胀是个奇怪概念，是一种错觉，是物质运动带来的一种错觉。

 

7.3零点八七倍光速以来的宇宙

 

宇宙大爆炸后，在引力作用下，宇宙物质膨胀速度下降到0.87倍光速时，根据狭义相对论，此时宇宙物质的运动能量等于静止质量。此时会是宇宙大爆炸的哪个时间段？

根据著名的哈勃定律，我们地球上观测到的星系光线发出时间，每相差350万年的星系光线的红移量差异，根据多普勒公式，大致得到星系速度变化71千米每秒。这种星系红移，既有宇宙物质扩散带来的引力红移效应，也有宇宙大爆炸不同时间的膨胀速度差异带来的多普勒效应差异。如果扣除引力红移因素，这意味着光线的红移量会减少一些，对应的星系速度变化也会小一些，比如，也许会从71千米每秒下降到50千米每秒。

假如按照350万年，相差50千米每秒的速度，35亿年相差5万千米每秒，140亿年相差20万千米每秒。而宇宙只诞生了138亿年了，这种速度变化幅度明显是不行的，有些偏小。如果不考虑引力红移，只考虑多普勒效应，按照71千米每秒的速度差异计算，140亿年相差28.4万千米每秒。这个速度似乎也略微偏小。难道哈勃系数需要再大一些？

实际上，不是相差350万年，就会产生71千米每秒的速度差异，而是距离相差350万光年，才会产生71千米每秒的速度差异。我们通过上一节内容，已经知道，距离与时间并不一致，二者不能等效。虽然宇宙时间才138亿年，但是宇宙的尺度却明显比这要大。比如宇宙的半径尺度可以达到450亿光年。

如果宇宙半径尺度按照450亿光年，350万光年按照71千米每秒的速度差异，350万光年的尺度，速度就可以相差71万千米每秒了。这当然不可能的。这说明，71千米每秒的速度差异，相当一部分是引力红移效应带来的速度数字放大效应。

因此，我们如果反推多普勒效应的贡献份额，也许可以得出更为接近实际的可能性。假设多普勒效应贡献了全部，450亿光年的尺度，最高30万千米每秒。则意味着350万光年的尺度，只能产生约23千米每秒的速度差异。因此，考虑到引力红移效应，实际的多普勒效应带来的速度变化就会明显比23千米每秒小了。而我们观测到的速度差异，换算成多普勒的红移效应是71千米每秒，与23千米每秒差异明显，可见，这个71千米每秒的速度变化，主要贡献者是引力红移效应。也就是引力红移效应贡献了大部分，甚至绝大部分。

我们需要深思的是，为何没有观测到更明显的红移星系光线，或者观测到而被我们主动疏忽了。毕竟这个似乎超出了我们的想象力。

红移量更大的星系，也许太暗淡，不容易观测到。也许我们主动地回避了这些星系的光线，毕竟似乎不好解释。我们完全可以更加自信一些，实事求是一些，大胆分析我们观测到的信息。

这里的逻辑太不好想象了，我们先顺着科学家暗能量的思路想象一下。按照暗能量的逻辑，宇宙空间是膨胀的。在暗能量的作用下，相互距离越远，空间膨胀速度越大，即空间膨胀速度与距离成正比。光线在膨胀的空间中运行，也会产生多普勒效应，这是暗能量理论假设的，不是笔者说的。

因此，当空间膨胀对其中的光线产生的多普勒效应，对应的速度接近光速时，我们就无法观测到空间膨胀超光速情况下的光线多普勒效应了。因为，按照空间的超光速膨胀速度，其中的光线永远会在路上，而不能被我们观测到，即其中传播的光线不会传播到我们地球上。

如果光线产生于A点，我们地球算B点，AB之间的距离为某个数值时，AB之间的空间膨胀速度是半个光速。当AB之间的距离扩大一倍时，此时的AB之间的空间的膨胀速度就相当于光速了。此时，由A点发出的光线，会永远在路上传播，而无法到达地球。道理很简单，当光线传播一光年距离时，AB之间的空间也同时扩大了一光年。意味着光线永远也无法到达地球。

按照实际观测的多普勒效应数据，空间膨胀达到光速，空间的尺度需要大约140亿光年。即我们现在容易观测到的宇宙半径的尺度，就是空间光速膨胀所需的空间尺度。意味着容易观测到的宇宙直径，两个半径的尺度，280亿光年的距离的空间膨胀速度为两倍光速。这意味着，距离我们左右各140亿光年的地方，永远也看不到对方了。这是暗能量理论的逻辑，不是笔者的逻辑。

按照暗能量的类似逻辑，就是距离我们不到140亿光年的区域，发出的光线，也是需要很长时间才能被我们看到。比如距离70亿光年的地方发出的光线，向我们地球方向辐射，70亿年后，才可能会来到我们地球的位置。但是，由于空间膨胀，我们地球与发出光线的地方之间的空间膨胀了35亿光年。此时，光线依然不会到达地球，而是还在到达地球的路途上。光线到达地球，最终需要105亿年（有没有兴趣，想知道我是怎么得到这个数值的），而不是70亿年。按照这个逻辑，我们看到的距离105亿光年的星系，发出这些光线时，只是距离我们地球70亿光年的距离。

这些距离我们地球70亿光年的星系，向地球方向发出的光线，需要经过105亿年，才会传播到地球表面，被我们看到。这105亿年，这些星系继续远离着我们，这些星系又向远离我们的方向前进了几十亿光年。这些星系从距离我们地球70亿光年的地方以半个光速的空间膨胀速度远离我们地球，随着空间尺度的继续增大，远离我们的速度也会同比增大。经过抽象或想象思维，我们的结论是；这些距离我们地球70亿光年的星系，向地球方向发出的光线，需要经过105亿年，才会传播到地球表面，被我们看到，此时这些星系距离我们的实际距离已经翻番，达到140亿光年了。因为，距离70亿年的空间，经过105亿年的空间膨胀，尺度倍增，达到140亿光年。即我们测量的距离我们105亿年的星系，现在已经运动到了距离我们地球140亿年的地方。

而距离我们140亿年的地方的星系，由于空间膨胀速度接近光速，这意味着这些光线无法与地球缩短距离，这些光线也就永远不会达到地球了。这意味着我们永远也看不到这些星系了。我们看到的宇宙空间极限也就是半径140亿光年了，可视宇宙不能再大了。我们虽然看不到更远的地方，但我们知道，更远的地方确实是存在的。

我们看到的140亿光年区域的星系，实际上这些星系发出这些光线的时候，大致在距离我们地球87亿光年的地方，现在这些星系已经位于距离我们地球193亿光年的地方了，意味着这些星系现在发出的光线再也到达不了未来的地球上了。根据本节前面的内容，我们已经知道，我们观测到的距离数值要比实际上的距离数值远一些。

根据星系远离我们地球的哈勃常数，我们已经观测到的红移量对应的远离速度达到0.9倍光速的星系，大致再有15亿年，这些星系会距离地球更远一些，这些星系与地球之间的空间膨胀速度就会超光速了。如果那时还有人类，应该就看不到这些星系的光线了。

虽然根据暗能量的理论进行遐想逻辑也是很有意思的，不过，这不是笔者真实的意图，笔者依然是不赞成暗能量的。因为，暗能量的瑕疵太大，我们不可能会接受的。

 

  7.4物质与能量的相互转化

 

物质与能量本质上是一样的，是质能的不同表现状态，二者之间可以相互转化。随着人们对反物质的了解，逐渐知道了物质与能量主要是怎样转化的。一对能量束，比如，一对高频率的光子相向碰撞，可以形成一粒反物质（比如反电子）和一粒物质（比如电子）。相反过程依然成立，等质量的一粒反物质（比如反电子）与物质（比如电子）相碰湮灭后，形成一对高频率的光子。此过程遵守动量守恒或角动量守恒原理。可见，物质与能量是可以相互转化的，通过反物质与物质的湮灭或生成是物质与能量转化的主体模式，但也不是全部模式，还有常见的缓慢模式。

   比如，促使物体速度提高的能量，根据狭义相对论，物质运动速度提高，意味着运动质量的提高，也就是质量的提高，即惯性质量或引力质量的提高。这个过程就是能量逐渐转换成质量的过程。

    物质转换成能量的过程也是很普遍的现象，比如物质的放射性衰变，就是物质转换成能量的过程。两个运动的物体相互碰撞后，运动质量转换成热能的过程，也是物质转换成能量的常见过程。

   可见，物质与能量的相互转化或转换是一种普遍现象，存在于我们生活中的方方面面，是自然界最核心的变化。

物质与能量的转化让人浮想联翩，特别是正反电子的碰撞湮灭产生两束强大的伽马射线的实验，似乎隐含着物质构成的本质。在高能粒子加速器中，科学家通过高速质子束（大量高速运动的质量）冲击固定靶，这个过程可以产生少量反质子（负质子），然后捕获这些反质子。一种同位素的衰变可以产生正电子（反电子），捕获后，与反质子放到一起，让其自然结合，就形成了反氢原子。现在科学家已经能让反氢原子存在十几分钟的时间了，这意味着已经可以对其进行物理或化学性质的研究了。

估计，高速质子轰击固定靶，意味着局部的超高温，可以产生大量极高频率的伽马射线，其中的极少数伽马射线有机会相互碰撞，从而产生反质子。原理也许应该是这样的，如果原理是这样的，这个轰击过程中，也应该会产生反电子等反粒子，不知实际情况如何？不是明确地通过伽马射线的碰撞制造反物质，因为人类暂时还没有能力制造高密度分布的伽马射线。想让伽马射线有碰撞机会，需要伽马射线高密度分布。

实际上是高速质子轰击固定靶，导致质子与质子的高速碰撞，质子被撞烂了，质子解体了。解体为组成质子或夸克的更基本的物质微粒，这些物质微粒必然会重新结合，形成反质子和质子，类似于伽马射线结合形成电子和反电子的情况。

两粒相向碰撞的伽马射线，可以转变成质量相同，电荷相反的电子与反电子。这个过程本身让人无限遐想。这是物质存在状态的一种改变。两束电磁波变成正电子与电子，都与电磁力有关啊！

 

7.5反物质与物质紧密并存时代

 

按照宇宙大爆炸理论，初始宇宙完全是一团能量，或者说宇宙初始物质先是转化成能量状态，比如各个频率的光子。然后在时空扩张过程中，随着宇宙温度的下降，能量（光子）相互的碰撞结合成为物质与反物质。

能量是通过碰撞结合成共生的一对物质与反物质粒子，因此，宇宙初期的物质与反物质是等量的。物质与反物质碰撞湮灭成能量也是一一对应的，这依然显示或意味着宇宙中的物质与反物质应该是同样多的。物理理论上似乎也没有什么机制原理显示物质应该多于反物质。总之，宇宙中的物质与反物质应该是同样多的。而我们地球或太阳系甚至银河系为何却是物质构成的呢？为何罕见反物质呢？这确实是令人困惑的事情。

敞开我们的想象力，想象一下宇宙初期的状态，也就是物质与反物质与能量并存的时期。此时宇宙时空比较小，宇宙物质或能量很稠密。在这个时期，同时几乎有无数的物质与反物质碰撞湮灭成能量，无数的能量束碰撞湮灭成物质与反物质，此时宇宙物质与反物质及能量束处于一种动态平衡状态。随着宇宙的继续膨胀，空间越来越开阔，物质与反物质及能量束的动态平衡会被打破，随机性的物质与反物质在一些空间分布的不均衡将频繁出现，即有些地方物质粒子偏多一些，有些地方反物质偏多一些。这种偶然性或随机性的物质粒子与反物质粒子的分布不均衡现象很重要，这进一步演化出了我们现在的宇宙。

一旦局部空间出现物质或反物质偏多，就会进一步形成偏多的物质（或反物质）的结合体。谁在这个空间偏多，最终谁就会完全占据优势，而逐渐发展出单一物质（或反物质）的空间区域。你能想象这个过程吗？是通过物质与反物质粒子的高速随机运动实现相互分离的，物质（反物质）粒子运动到物质（反物质）粒子占优势的区域，自然是容易幸存下来，反之，就容易被湮灭。经过无数次这样的过程，物质与反物质就实现了空间的分离。

如果局部空间物质（或反物质）占据多数，物质（或反物质）与物质（或反物质）碰撞，依然是物质（或反物质），不会转变成能量而消失。但是这个局部区域的反物质（物质）与物质（或反物质）相碰就会消失而转变成中性的能量，这必然意味着这个区域的反物质（或物质）会越来越少，而物质（或反物质）占据的比例会越来越大。

我们还可以想象出，在物质（或反物质）占据完全优势的局部空间，其周围空间大概率的会是反物质（或物质）占据优势。道理很简单，因为，反物质与物质要守恒。具体原因是，这个局部空间的物质（或反物质）是通过逃逸到外围而使这个局部空间物质（或反物质）占据优势的，外围自然是反物质（或物质）占据优势。

因此我们可以判断宇宙中的物质与反物质依然是基本相等的，这个区域物质多了，那个区域反物质就会多。如果我们银河系及其附近星系完全是物质构成的，这意味着距离我们远一些的星系应该大概率的就是反物质构成的星系。物质构成的星系与反物质构成的星系应该是参差不齐的分布在广袤的宇宙空间中，而不会是这半个宇宙是物质，那半个宇宙是反物质。要么是宇宙中部是物质（或反物质）构成，宇宙外围是反物质（或物质）构成，要么是若干相邻的星系是物质（或反物质）构成，另一些相邻的星系是反物质（或物质）构成，物质与反物质构成的星系团相间分布在宇宙空间中。

或者说，物质与反物质的空间集聚分布的距离并没有星系尺度那么大，也许每个大的星系中部是物质（或反物质），而周围是反物质（物质）。由于物质（或反物质）过度稠密地集中在中心地带，这会导致物质（或反物质）在引力的作用下集中起来，并逐渐形成巨型黑洞。物质或反物质形成的黑洞不会有任何差异，物质或反物质一旦形成黑洞，也就不会表现出任何的物质或反物质的属性差异了。

因此，我们可以推测或想象，星系中心的大型黑洞很有可能是由星系组成物质（或反物质）相反的物质构成。比如我们银河系中心的巨型黑洞，很有可能初始阶段就是由反物质聚合形成的黑洞。在初始银河系中心密布的反物质的外围分布着物质，这构成了我们现在银河系的主体部分。也就是说巨型黑洞是促使物质与反物质在局部区域最终分布完全不均衡的诱因。当然，对于整个宇宙来说，有物质形成的巨型黑洞，也有反物质形成的黑洞，总体上应该是均衡的，也就是说整个宇宙总体上物质与反物质总量是均衡的。

反物质与物质紧密并存时代，是宇宙大爆炸的初期，那时的宇宙还在迅速膨胀的过程中，空间尺度不大，物质很稠密。这为物质与反物质的空间分离提供了便利。物质与反物质的分离所跨尺度不大，耗用的时间并不大，因此，宇宙大爆炸前期，物质与反物质较快进行了空间分离。如果按照现在的宇宙尺度，物质与反物质分离所耗用的时间将是难以想象的，几乎是完不成的。但在那时的宇宙，却可以用较短时间完成物质与反物质的空间分离。

 

7.6类星体时代

 

一种个体不大，但是发光量却比星系还要多的星体，其发光水平类似超新星，超新星是短期的爆发，而这个星体却是长时间持续发光。人们给这种星体起名为类星体，也就是说，人们暂时难以判断这些星体是什么，是怎么回事，而给予了暂时的这样的称呼。

人们发现的类星体数量已经达到几千个了，主要特点是距离我们比较远，银河系是没有这样的东西的，附近星系也没有。远离我们的星系分布得多，比如，上百亿光年之外的地方分布得多。可见距离宇宙大爆炸时间越近，类星体出现概率越高。

估计类星体可能就是大型黑洞吞噬附近物质而形成的强大光源，是星系成长的初期阶段。那时，宇宙相对现在物质分布要稠密一些，并且，物质分布相对现在更加杂乱一些。一些星系在形成过程中或处于孕育过程中。以黑洞为中心，逐渐孕育着庞大的星系。

星系的初期，星系附近物质分布规则很不明显，比如，还没有形成涡旋星系，各种物质依然在杂乱无章地运行着。恒星也在吞噬着自己周围的物质而发育着自己的太阳系，质量较大的黑洞更大胃口的吞噬着周围的无规则运动的物质，甚至能把刚形成的恒星吞噬掉。黑洞通过逐渐吞噬周围无序运动物质而为星系立法的过程中，也就是星系在形成中，这是星系逐渐形成的初期，黑洞可以大量地吞噬物质。

这些被巨型黑洞逐渐吞噬的环绕黑洞的物质，被黑洞的强大引力加速着，运动速度很大，不同角度的高速运动物质相互碰撞着，自然可以碰撞出极高的温度，形成强大光源，在遥远的地球人看来，这就是类星体了。

我们观测到的类星体应该就是宇宙形成初期的黑洞快速形成时期的景观，那时的宇宙还在迅速膨胀过程中，宇宙空间尺度还不大，宇宙物质密度比现在要大得多。并且无序运动物质比例较大，因此可以产生壮观的黑洞吞噬物质现象。大概率不是反物质与物质紧密并存时代，这个时代更靠前。

在物质与反物质紧密并存时代，由于频繁的物质与反物质的相互转化，这个时代会更耀眼，就不是一小片耀眼了，而是全宇宙都耀眼。不过，那时的宇宙还比较小。比类星体时代的宇宙要小得多，更比现在的宇宙要小。

初始宇宙，空间尺度小，质量稠密，以能量状态构成物质主体。随着宇宙的进一步膨胀，空间尺度增大，密度降低，物质状态占比逐渐提高，能量状态占比下降。由于宇宙膨胀需要克服强大的万有引力作用，因此，这会消耗物质运动所蕴含的质量或能量。当然，这些消耗的运动物质的质量或能量转变成了引力场能或引力势能或引力子。因此，引力场能或引力势能或引力子所对应的质量占比也在快速提高。这种变化自然是由于空间尺度的扩张，带来的温度或质量密度下降所致。当然，空间尺度的扩张本身就有利于反物质与物质的空间分离。

 

7.7第四宇宙速度是多少呢？

第四宇宙速度也就是地球附近或太阳系的物体脱离银河系的运动速度，由于太阳系距离银河系中心2.6万光年，距离银河系边缘区域2.4万光年，从太阳系逃逸出银河系不仅需要漫长的距离，而且还需要克服银河系中心物质的万有引力。这意味着逃逸银河系的物体会在银河系引力作用下，运动速度逐渐下降。如果计算到无限远的情况下，物体运动速度最终趋近于零，此时这个物体从太阳系出发逃离银河系所需要的速度就是第四宇宙速度。现在的问题是，这个速度有多大呢？

地球以每秒30千米的速度环绕太阳转圈，太阳系以每秒217千米的速度环绕银河系中心转圈。自然是，如果想实现较小的银河系逃逸速度，这个从太阳系出发的物体也意味最好与太阳系环绕银河系的方向一致，可以获得217千米每秒的初速度。如果方向相反，就麻烦了，逃逸银河系的速度就大了。

比如，地球以30千米每秒的速度环绕太阳转圈，所谓的第三宇宙速度是与地球公转方向一致的基础上的再加速。也就是从每秒30千米的基础上，再每秒增加16.7千米的速度，也就是达到了46.7千米每秒的速度，地球公转轨道上的物体保持这个速度才可以逃逸出太阳系。

太阳系环绕银核的速度是217千米每秒，在太阳系环绕银核的轨道上，保持217千米的速度，才可以继续环绕银核转圈，低于这个速度，就会向银核靠近，从而被加速，然后在太阳系环绕银核的轨道里面的某个轨道上环绕银核转圈。因此，从地球发射某个物体，如果相对太阳的初速度为46.7千米每秒，这意味着这个物体只是可以逃逸出太阳系，并大致与太阳系环绕银核的轨道接近的轨道上环绕银核转圈。自然是，这个物体相对银核以263.7千米每秒的速度逃逸出地球，最终会远离太阳，并以217千米每秒的速度环绕银核转圈，几乎与太阳系处于同一个环绕银核转圈的轨道上，并且转圈方向一致。

人们之所以推测想象暗物质的存在，就是由于银河系天体环绕银核的速度并没有随着距离银核越远而速度越小的变化规律，而这个规律在太阳系是存在的。这也许是由于银河系质量是相对太阳系分散的，并不像太阳系那样集中到中心区域。我们在这里不谈论这个问题，我们假设银河系边缘的天体也以类似太阳系的速度环绕银核转圈。这样，太阳系物体逃逸到银河系边缘，只需要考虑引力势能的变化，而无需考虑环绕速度的变化。

根据引力势能公式GMm/R，以及根据动能公式E=0.5mv^2，GMm/R=0.5mV^2，m去掉，为GM/R=0.5v^2，变形得到V=√（2GM/R）。G等于6.67×10^-11方，光年距离为9.46×10^15米，太阳质量约为2.0×10^30 千克，银河系质量相当于3000多亿倍太阳质量，如果太阳系轨道以内的银河系质量M为2000亿个太阳质量，太阳距离银河系中心的距离为2.6万光年，也就是R为2.6万光年。此时V=√（2.169×10^11）=465774米/秒，也就是具466千米每秒的速度才可以在太阳系环绕银核的轨道上，逃逸出银河系。

466千米每秒的速度是低估状态的速度，上面已经说过，太阳系环绕银核的轨道之外还存在大量的物质，从太阳系轨道上逃逸银河系依然需要克服这些物质的引力作用，因此，这意味着从太阳系轨道上逃逸银河系还需要更大的初速度，如果银河系质量M取值为3000亿个太阳质量，R取值为5万光年，此时V就是物质从银河系边缘区域的逃逸速度。此时V=√（2GM/R）=√（1.692×10^11）=411千米/秒。这依然没有考虑物体需要逃逸太阳系所需要的能量，以及逃逸地球所需要的能量，不过这些能量相对逃逸银河系需要的能量就小多了，可以忽略。

一个常识，如果物质分布不是非常特别，这意味着轨道逃逸速度总是会略大于轨道环绕速度的。比如，太阳系的轨道环绕速度是每秒217多千米，而太阳系轨道的逃逸速度近466千米每秒。在银河系核心区域，引力很大，环绕速度很大，每秒几千千米或上万千米的环绕速度，意味着同样壮观而数据大一些的逃逸速度。也就是我们一旦知道环绕速度，逃逸速度也就是略大一些了，我们也能大致估测逃逸速度的范围。

根据离心力公式和万有引力公式，可以得到环绕速度公式，V环=√（GM/R）。V环=√（GM/R）对比前面的逃逸公式V=√（2GM/R），可以看到二者的公式很类似，速度数值相差√2倍，也就是相差约1.414倍。无限远的逃逸速度是环绕速度的√2倍。

由于现实中，不可能是无限远逃逸的，比如，银河系的势力范围也就是百万光年。物质逃逸银河系百万光年就可以进入本星系群中其他星系的势力范围了，也就可以认为物质已经逃逸出银河系了。此时物质逃逸银河系所需要的能量就比无限远小一点了，大约是无限远能量的三分之二就可以逃逸出银河系的势力范围了。无限远能量（动能）的三分之二就是，其对应的逃逸速度就是三分之二的根号V，约0.8164V。而无限远逃逸速度是环绕速度的√2倍，即环绕速度是无限远逃逸速度V的约0.707倍。考虑现实的非无限远逃逸速度大约是无限远逃逸速度的百分之八十，而环绕速度大约是无限远逃逸速度的百分之七十，此时的非无限远逃逸速度依然大于环绕速度。可见，这基本是一个普适情况，逃逸速度大于环绕速度，并且速度数值相差不大。

我们根据V环=√（GM/R），可以得到M=V环V环R/G，计算太阳系轨道以内的银河系质量M。此时太阳系环绕银河系的速度取值217千米每秒，可以得到M是868亿倍的太阳质量。太阳系距离银河系中心2.6万光年，距离银河系边缘区域2.4万光年，根据公式M=V环V环R/G，可以看到环绕轨道内的质量与R成正比，5万光年的银河系边缘区域，如果V环还是217千米每秒，则意味着轨道内银河系质量（已经包括所谓的暗物质了）只是1700亿倍太阳质量，这明显低于我们认为的3000亿倍太阳质量。可见，所谓的3000亿倍或4000亿倍太阳质量的银河系，尺度要比半径5万光年大一倍，大致是10万光年。半径5万光年到10万光年的环形球状区域，可见天体很少，几乎完全是所谓的暗物质，即暗天体。

我们知道地球附近的太阳风中的高速运动粒子速度在400千米每秒附近，这明显比地球轨道附近每秒40多千米的太阳系逃逸速度大。太阳风可以轻松逃逸出太阳系，相对于306千米每秒的太阳系位置的银河系逃逸速度，相当一部分太阳风也可以逃逸出银河系。

从感觉或推理看，太阳系轨道以内的区域，逃逸银河系自然是需要克服更大的引力势能，需要具备更大的初速度才可以逃逸银河系。

物体就是逃逸出银河系，逃逸出本星系群相对就困难多了。如果逃逸银河系所在的本星系群叫做第五宇宙速度的话，本星系群质量如果按照银河系质量的50倍计算，R按照100万光年计算的话，第五宇宙速度将达到每秒600多千米，这将可以阻挡大部分太阳风粒子，也就是绝大部分太阳风粒子将被束缚在本星系群势力范围内。当然，确实可以有相当一部分太阳风粒子可以逃逸本星系群。这也意味着，我们银河系可以得到一些本星系群之外的物质，虽然其他星系的物质逃逸出自己星系是类似的困难。如果我们本星系群之外的星系由反物质组成，我们可以探测到一些反物质的到来，确实如此，我们确实探讨到太空中的反物质了，只是反物质的分布密度大小如何？确实令人感兴趣！

本星系群在半径100万光年之外的地方，逃逸本星系群的速度达到600多千米每秒，此处的环绕速度，即环绕本星系群的速度600多千米每秒除以根号2，大约是400多千米每秒，这个环绕速度是很壮观的。这个位置有一个星系的话，将以400多千米每秒的速度环绕本星系群转圈，从而实现动态平衡。

500千米每秒的速度，只是光速的600分之一，相对100万光年的尺度，是如此缓慢，穿越100万光年的距离需要运行6亿年，环绕本星系群一周需要37.7亿年。这对于才诞生138亿年的宇宙来说，占比不小。可见，这个区域天体轨道进化是很弱的。

这个第四宇宙速度确实不大，但已经足够束缚本星系群中的所有星系的运动了。比如，我们银河系与仙女座星系的相对速度只是一百多千米每秒，明显比第四宇宙速度小。令人失望的是，这个速度只是能勉强束缚太阳风，这意味着会有大量粒子逃逸本星系群。本星系群也会得到其他星系群的大量粒子。这意味着，本星系群附近的星系群物质构成很有可能不是反物质。不然的话，我们银河系会得到大量的反物质粒子的。

物质逃逸超本星系群的难度就会明显大一些的，超本星系群与其他星系团相互交流的物质粒子就会少许多了。也许，超本星系团之外的星系团是反物质构成的。如果还不行的话，室女座蓝天星系团的束缚能力就更强大了，附近星系团就可以是反物质构成的了。

 

7.8宇宙逃逸速度是多少呢？

根据引力势能公式GMm/R，整个宇宙如果按照10亿个银河系的质量计算，宇宙半径按照130亿光年计算，光年距离为9.46*10^15米，那么宇宙的逃逸速度V是多少呢？V=√（2GM/R），太阳质量约为2.0×10^30 千克，银河系质量约相当于4000亿倍太阳质量，常数G等于6.67*10^-11，此时V等于29458千米每秒。也就是在宇宙边缘区域物体逃逸无限远的速度是每秒近3万千米，虽然需要考虑相对论效应，不过，依然比光速要小得多。

如果宇宙按照1000亿个银河系质量计算，逃逸速度就会增大10倍，接近光速了。

我们知道，物质运动不会超光速，物质运动速度很大的时候，不能按照E=0.5mV^2这样的能量公式计算了，需要考虑相对论效应了。物质的静止质量对应的能量为E=mC^2，把物质运动的相对论动能换算成物质静止质量对应能量的倍数，这样就可以避开狭义相对论的带根号的能量（质量）公式了。

我们如果用B这个字母表示倍数，得到BmC^2，与引力势能公式GMm/R对接，BmC^2=GMm/R，B= GM/R C^2。此时B就是物质的宇宙逃逸速度所对应的相对论动能相当于物质静止质量的倍数。如果整个宇宙质量相当于银河系质量的1000亿倍，考虑速度的相对论效应，此时B约等于0.48。即运动速度洛伦兹系数为1.48的物体，在宇宙边缘可以逃逸出假设的1000亿倍银河系质量，半径为130亿光年的宇宙。

根据科学家对宇宙的研究，人们对宇宙质量的估计要明显比1000亿倍银河系质量偏大一些，比如一部分人倾向于可观测宇宙质量是银河系质量的2万亿倍。当然宇宙的空间尺度也比我们常说的大，可观测宇宙的半径是460亿光年。460亿光年之外是不会给予我们银河系有任何影响的宇宙，属于不可观测宇宙。

如果宇宙质量取值2万亿倍的银河系质量，宇宙半径取值460亿光年。根据公式B= GM/R C^2，这样的宇宙逃逸速度就很大了，此时B约等于2.72。即运动速度洛伦兹系数为3.72的物体，在宇宙边缘可以逃逸出假设的半径为460亿光年，质量为2万亿倍银河系质量的宇宙。

当然，这是不行的，我们根据黑洞的史瓦西半径区域的速度，可以感觉到，当逃逸速度逼近光速的时候，问题就出来了。按照史瓦西黑洞的形成原理，意味着这个区域之内的某个距离之内属于黑洞了。如果史瓦西黑洞原理正确，也应该适合于整个宇宙，2万亿倍银河系质量的宇宙大概率是不会存在的，因为，这应该是一个超级大黑洞。黑洞内部也不能是这样的吧！拥有着阳光明媚区域的宇宙。

如果我们理解的史瓦西黑洞原理是错误的，问题就简单多了。即所谓的黑洞不是我们理解的那样，只是没有光线或到来的光线被转变成了物质，而不是光线出不来了。宇宙大爆炸也容易理解多了，不需要那么玄了。这样的初始宇宙就可以接近光速膨胀了，无论洛伦兹系数如何大，都可以的。在现在的宇宙尺度下，现在的宇宙质量上限也可以不受限制了，而似乎可以完全超过宇宙级黑洞质量了。不然，我们可以发现，现在的宇宙，之前的宇宙，初始的宇宙，时时刻刻在忽视史瓦西黑洞原理的存在。

实际上，无论宇宙质量是多少，总是存在史瓦西半径的，按照宇宙大爆炸逻辑，宇宙初期半径总是有小于史瓦西半径的时候。此时，宇宙大爆炸完全忽视了史瓦西半径原理。当然，科学家会说，那时是特殊时期，可以不遵守史瓦西半径原理。或者说，那时物理定律失效了，这与科学家说黑洞里面物理定律失效了，情况是一样的，毕竟，史瓦西半径以内就是黑洞嘛。

实际上，引力势能公式也要考虑相对论效应，其中的m也是一个变量。质量为m的物体的引力势能公式是GMm/R，在考虑相对论效应时，质量为m=m0/√（1-V^2/C^2），此时速度V是一个变量。

我们可以继续避开速度V，利用质能公式E=mC^2让问题变得简单化，可以得到Bm0C^2=GM（Bm0+m0）/R，去掉m0变形为BC^2=GM（B+1）/R，最终可以得到B=GM/（RC^2-GM）。B=GM/（RC^2-GM）这个公式在GM明显比RC^2小的时候基本成立，其他情况就不行了，因为引力势能公式中的B是个变值，也就是质量m是个变值。需要使用新的数学手段才能解决这个问题，比如在引力势能公式中使用微积开方程。公式与引力红移的微积开方程类似，此时B=1-exp{GM/（RC^2-GM）}，B+1就是假设的逃逸宇宙的运动物体的洛伦兹系数。

 

7.9宇宙物质集中到一起有多大呢？

 

如果我们在网上搜索一下宇宙物质总量是多少，应该是可以找到的，比如，10的多少次方千克。我也不搜索了，我们简单推测一下吧！银河系物质相当于3300亿个太阳质量（这个数值与前面内容出现的4000亿倍太阳质量不太一样，因为，我们确实还不太清楚银河系相当于多少个太阳质量，3000亿或4000亿都在我们可以容忍的数值内，大家不必较真），宇宙大约有10亿个星系，如果质量平均接近银河系质量，宇宙总质量就是相当于10亿个银河系质量。太阳质量是1.989×10^30千克，是地球质量的33万倍。地球物质密度是每立方厘米5.518克，每立方千米是5.518×10^12千克。如果整个太阳质量按照地球密度分布的话，体积大小为3.6×10^17立方千米，自然是相当于现在太阳体积的四分之一，半径约为44万千米，比地球到月球的距离还要长。

如果整个银河系物质都集中到一起，如果密度相当于地球平均密度，体积应该为1.188×10^29立方千米，相对44万千米的半径扩大了6911倍，扩大到304084万千米，约为30.4亿千米，日地距离约为1.5亿千米，比天王星到太阳的28.7亿千米的距离大了一些。

如果整个宇宙物质都集中到一起，密度相当于地球平均密度，按照10亿个星系计算，体积应该为1.188×10^38立方千米，相对30.4亿千米的半径扩大了1000倍，扩大到304084000万千米，约为30400亿千米，一光年的距离是94605亿千米，约为三分之一的光年。距离太阳系最近的恒星是4.2光年，可见全部宇宙的物质集中到一起，以地球的平均密度分布水平，才是一个三分之一光年的大球体。当然，如果宇宙物质不是10亿个星系，而是1000亿个星系的质量，意味着这个设想星球体积再扩大100倍，半径扩大到之前的4.64倍，约1.49光年。这可是半径为100多亿光年或几百亿光年的宇宙的全部物质啊！汇集到一起，以地球物质密度水平看，只有这么大！可见，宇宙是多么空虚！

当然，宇宙全部物质汇集起来，在引力作用下，自然是不可能以地球物质密度存在的。也就是不会以原子或分子状态存在，原子其实也是很空虚的，质量集中于原子核，大引力作用下，电子等会被压缩到原子核里面，形成中子星等物质状态。假如按照原子核密度存在或中子星密度存在，每立方厘米一亿吨以上，如果每立方厘米10^14克，相当于3300亿个太阳质量的银河系汇集一起，体积会从1.188×10^29立方千米，减少到1.81×10^13分之一，只是形成一个半径为6.56×10^16立方千米的星球。此时半径约为40万千米，比月球到地球的距离大了一些。如果取中子星的最高密度每立方厘米10^15克计算，整个银河系物质汇集一起，只是形成一个半径20多万千米的星球，半径还没有到月球的距离大。

相当于10亿个银河系质量的宇宙汇集起来，以中子星的分布密度计算，相对40万千米的半径扩大1000倍，为40000万千米，即4亿千米，这相当于小行星带到太阳的距离。就是按照1000亿个星系的宇宙质量计算，这个设想星球体积再扩大100倍，半径扩大到之前的4.64倍，也只是18.56亿千米，相当于太阳到土星和天王星之间的距离。也就是整个宇宙，几百亿光年尺度的宇宙，近千亿个星系，汇集一起，按照原子核或中子星密度计算，只是相当于还没有太阳系大的星球的体积。可见宇宙的空虚程度是多么令人吃惊。

就是根据现在的物理知识，我们也可以知道原子核或中子并不是密度最大的，可以进一步细分，有具体的组成物质，比如夸克组成了中子或质子。其实相对中子尺度，内部也是空虚为主，由三个夸克组成。这三个夸克并不是紧密的连为一体构成中子的，而是很有可能是类似于原子的组成情况，夸克很小，三个夸克在强相互作用力的作用下相互环绕运动构成中子。

现在人们对夸克的了解非常少，难以估测其大小，只是知道其至少会小一些。因此，人们预测质量较大星球会向夸克星球转变，质量相对小一些星球的才会转变成中子星。夸克星球的密度自然是更大一些，表面引力也更大一些，夸克星的密度介于黑洞和中子星之间，似乎部分黑洞应该就是夸克星。那种有磁场有电量的黑洞，其内部是存在物质结构的，很有可能就是以夸克这种物质为主。因此，夸克的密度很有可能比中子密度高三个数量级，甚至更高。如果密度高三个数量级，夸克星可以形成黑洞。

如果银河系物质汇集一起，形成密度更大的夸克星，如果密度相对中子星再提高1000倍，半径就可以缩小到之前的十分之一了，从40万千米缩小到4万千米，大小类似于土星或木星。10亿个星系的宇宙物质汇集一起也会缩小到之前的十分之一，从4亿千米缩小到4000万千米，小于太阳到水星的距离。就是按照1000亿个星系的宇宙质量计算，半径增大4.64倍，比日地距离大了一些。

黑洞内部物质密度全凭感觉，自然是应该更大的，如果能压碎夸克，密度自然会提高到更高的层次。银河系物质汇集到一起，引力大到不可能允许夸克存在，整个宇宙物质汇集一起，更不会允许夸克存在。夸克会被压碎，如果真的有更细小的物质结构的话，密度自然会是更大的。整个宇宙物质汇集一起，体积也是不会太大的。我们似乎可以感觉，空虚的宇宙还真的有可能是通过宇宙大爆炸产生的，真的起源于很小的空间区域。

夸克与反夸克碰撞可以湮灭成介子等更小物质粒子，这些更小微粒的密度也许会更大一些。如果黑洞具有角动量，说明其依然保持着最基本的物质属性，全部物质应该不会缩小到所谓的奇点。只是物质更为稠密而已，应该比夸克类型黑洞物质密度大了许多。因此，我建议大家不要把黑洞想象得过于极端，至少，中小型黑洞还是有内部物质结构的。

黑洞内部的温度是极高的，如果还有温度这个概念的话。黑洞里面的物质运动速度是极快的，都是动辄极其接近光速的物质粒子，粒子拥有着很大的洛伦兹系数。粒子之间的碰撞也是极为壮观的，碰撞后粒子速度下降，向黑洞中心靠拢。粒子向中心靠拢的过程中，被极大的引力作用加速，然后又是碰撞，引力加速，碰撞。粒子向中心汇集，中心区域物质密度确实会是极大的，但也不能是无限大啊！

黑洞内部相对论效应极其明显，比如时空效应很明显。这里物质极其稠密，时空单元极其稠密或微小，时间运行速度极其缓慢。如果以我们的尺度或时间运行速度感觉黑洞内部，我们会发现这里物质运动速度并不快，甚至很慢，几乎都是慢动作。应该接近宇宙大爆炸初期的情况。我们还会发现，这里的空间是浓缩型空间，在我们的感觉中是极小的空间。也就是黑洞物质集中于我们感觉得极小的空间中，但以黑洞内部的尺度感觉，并不算特别小。不论怎么感觉，空间都不是无限小，密度也不是无限大。

从逻辑上看，黑洞质量越大，相对论效应就越强，时空萎缩就越严重，也就是时间运行速度就越慢，空间单元就越小。从我们的视觉上看，如果看得到的话，黑洞质量越大，质量就越集中于中心区域，中心区域的质量密度就越大，黑洞质量集中区域的空间相对就越小。在我们看来，质量越大的黑洞，质量越集中，质量集中区域的空间越小，密度越大。

如果整个宇宙物质集中一起，形成一个超级大黑洞，其质量集中的程度自然是极大的，物质密度也是极大的，时空萎缩是极其严重的。这大概就是所谓的奇点吧！宇宙大爆炸就是从这个所谓的奇点开始的。不过，质量或密度确实不是无限大，空间也不是无限小，应该是接近密度无限大，空间接近无限小吧！

 

7.10机械能守恒原理的普适性

     

我们先谈一谈牛顿力学与动量守恒原理的关系。牛顿第一定律惯性定理是动量守恒原理的必然体现，一个独立系统或物体不受外力或受到合力为零的外力的作用，根据动量守恒原理，这个物体自然是动量守恒的，动量不会改变，动量不会改变就是物体运动速度大小不变或为零，且物体运动方向不变。也就是惯性定律表述地保持原来的运动状态不变，匀速直线运动或静止状态。

牛顿第三定律是作用力和反作用力的关系，根据系统的动量守恒原理，自然可以推理出作用力与反作用力大小相等，方向相反，不然，系统动量就不会守恒了。因此，牛顿第一定律和第三定律都可以归入动量守恒原理范畴，是动量守恒原理的具体表现。

牛顿第二定律是力与加速度的关系，依然是动量守恒的显示，就是由于动量守恒，才体现出力与质量及速度变化的关系。牛顿第二定律公式可以用动量模式来表达。牛顿第二定律结合牛顿第三定律，就是动量守恒原理。可见，牛顿力学三大定律都是根源于动量守恒原理。

虽然牛顿力学根源于动量守恒原理，但是依然有一定的适用范围，在考虑相对论效应时，就不太适应了。其他的许多定律，基本也是类似情况，但动量守恒和角动量守恒原理却是永恒普适。动量守恒和角动量守恒原理不仅适宜经典物理学，还适宜我们所有已知的各种情况，比如物质在黑洞状态下，依然严格遵守动量守恒和角动量守恒原理。更不论高速状态或大质量状态，都严格遵守动量守恒和角动量守恒原理。

在我们的学习中，我们似乎还会感觉到另一个守恒也是普适性的，这就是适合于我们已经知道的所有情况下的质能守恒原理，这确实是一个与动量守恒原理一样普适性的守恒原理。经过相对论理论的熏陶，我们已经知道质量与能量本质上是一种东西，没有本质的差异，只是表面状态有所不同而已。能量与质量的相互转换是严格守恒的，一旦在试验中发现二者转换不守恒，也就意味着新的发现的开始，最终你会发现二者的转换依然是严格守恒的。

动量守恒和角动量守恒原理以及质能守恒原理是我们研究现代物理学的基本原则，是我们研究思路的基本出发点。这可以说是物理的两大哲学性思维原则，坚守这两大原则，我们也许真的可以把物理进一步系统化，统一相对论和量子力学。

我们在高中阶段学习过机械能守恒定律，也就是物体只在重力作用下的机械能守恒，重力势能与物体的动能可以互逆转换，无论路径如何。实际上我们完全可以把机械能守恒定律扩大适用范围，首先，扩大其适用对象，重力场下的机械能守恒不仅适合所谓的物质状态的物体，也适合能量状态的物质或粒子，比如，适合光子等。光子在重力场也遵守机械能守恒定律，其具体的计算方式可以借用引力红移公式。广义相对论的引力红移公式，其实就是光子的机械能守恒公式的变形。

微积开引力红移公式就是光子在重力场条件下的光子的机械能守恒公式的变形。因此，我们常见的机械能守恒定律公式只是弱重力场条件下的近似公式，在强重力场条件下，物体或能量在重力场的运动会让自己本身质量产生明显变化，因此机械能守恒定律中的质量M（或能量E）是一个变量，机械能守恒定律公式需要借用微积开引力红移公式的模式。

然后，我们可以扩大机械能守恒定律的空间使用范围，从常规的星球重力场，扩大到整个宇宙的引力场。因此，机械能守恒定律使用空间可以从常规的重力场转变成普适宇宙的引力场范畴。这样就从常规的机械能守恒定律转变成了机械能守恒原理，这是适合太阳系或银河系以及整个宇宙的守恒原理。

任何能量或物质在宇宙中，其引力势能与其能量或其质量之和守恒，这就是普适于宇宙的机械能守恒原理。所谓的机械能守恒定律或光子的引力红移公式等都是其具体内涵之一。

普适于宇宙的机械能守恒原理与质能守恒原理关系密切，普适于宇宙的机械能守恒原理是质能守恒原理的一部分。普适于宇宙的机械能守恒原理适用于物质和能量，还适合于引力场或引力场能，如果引力场能不属于能量范畴的话。而质能守恒原理不仅包括引力作用还包括电磁力与强弱相互作用，以及与之对应的场能。

不涉及其他作用力，比如电磁力或强弱相互作用，宇宙中只涉及引力的物质三种状态，物质状态（物质粒子状态）、能量状态（能量粒子状态）、引力场状态（引力子状态）。也许可以把引力场归属于能量状态，那么就变成两种物质存在状态了。究竟怎样划分，有待我们的感觉了。

 

小结

 

宇宙大爆炸是让人遐想而困惑的，涉及了物理学的本质问题。物理学的进一步发展要想法与宇宙大爆炸相融洽，这应该是未来物理学大发展的突破口。宇宙大爆炸不仅涉及宏观，也涉及微观，还涉及高速，是检验物理理论的理想场所。不论是思想实验，还是实际验证，都可以从宇宙中找到理想场所。物理学家特别是理论物理学家，要开阔思路，关注我们的宇宙，从宇宙中获得灵感思路。