宇宙總質(zhì)量正負解和宇宙加速膨脹

——兼回答暗能量為什么存在

郝建宇

[摘 要]宇宙總質(zhì)量MC有正、負解，MC=±(c3/2HOG）。其中的正質(zhì)量有一部分通過形成黑洞的方式轉(zhuǎn)化成了負質(zhì)量，使正、負質(zhì)量在數(shù)量上失去了平衡。負質(zhì)量有負能量、負體積、產(chǎn)生斥力，驅(qū)動宇宙加速膨脹；暗能量就是負質(zhì)量所具有的能量；在觀測事實的基礎(chǔ)上，預(yù)言了宇宙中大約有26%的正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了負質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]宇宙總質(zhì)量正、負質(zhì)量 黑洞 負能量宇宙加速膨脹

引言

面對已被觀測確證的宇宙正在加速膨脹的事實，人們企圖用宇宙常數(shù)λ給出解釋。當(dāng)把λ視為量子真空能時，則λ的理論值將比觀測值大120個量級^[1]。本文用宇宙總質(zhì)量有正、負解的定性和定量結(jié)果，否定了“120個量級“帶來的困擾，推出了宇宙必然加速膨脹的結(jié)論。

1 哈勃常數(shù)和塌縮宇宙的總質(zhì)量

宇宙的臨界密度ρ_c定義為

ρ_c= 　　　　（1）

H₀——哈勃常數(shù)，G——引力常數(shù)

現(xiàn)假定宇宙一個典型的區(qū)域，其體積為V，內(nèi)含質(zhì)量M_C，則這個區(qū)域的平均密度ρ₀為

ρ₀= （2）

再進一步假定這個區(qū)域塌縮成黑洞，則體積V是

將（3）代入（2）得

令ρ₀=ρ_c，即令（4）=（1），化簡得：

R_g可表為

R_g= （6）

將（6）代入（5）化簡得

M_c= =±（7）

宇宙總質(zhì)量由H₀、G、c三個常數(shù)決定并有正、負解是耐人尋味的。

取H₀=150公里/（秒·1千萬光年）^[2]（需化成CGS制）

G=6.67×10^-8厘米³·克^-1·秒^-2

c=3×10¹⁰厘米/秒

代入（7）算得

M_C≈±1.28×10⁵⁶（克）（8）

相當(dāng)于6.4×10²²M_⊙的質(zhì)量(M_⊙≈2×10³³克)

致于M_C為什么是宇宙的總質(zhì)量,不再給出解釋。

從(7)式可知:若宇宙是靜態(tài)的(H₀=0),則M_C將為±∞。故當(dāng)H₀＞0，（7）式可視為塌縮宇宙總質(zhì)量有限的證明。

以上是筆者十年前寫的一篇短文^[3]，十年后又有新的理解，故將該文摘要抄出，作為論證宇宙加速膨脹的理論根據(jù)。致于如何從宇宙的塌縮模型推出宇宙必然加速膨脹的結(jié)論，本文將給出邏輯證明。

2 宇宙總質(zhì)量有正、負解與具體的宇宙模型無關(guān)

采用宇宙的塌縮模型，M_C有正、負解；張邦固^[4]也曾計算了宇宙的總能量，他的結(jié)果表為

M=+Kc^-2+M₀（9）

M也有正、負解。但文[4]的計算方法和采用的宇宙模型與筆者完全不同，這說明M有正、負解與具體的模型無關(guān)，它是宇宙的一個內(nèi)稟型性質(zhì)。文[4]的定量結(jié)果是

M≈8.36×10⁵⁴(克)(10)

但文[4]認為“負質(zhì)量沒有物理意義”。

霍金（Stephen Hawking）認為，宇宙大體有10⁸⁰個重子質(zhì)量^[5]。若用質(zhì)子質(zhì)量代表重子質(zhì)量，（質(zhì)子質(zhì)量≈1.6725×10^-24克）,則10⁸⁰個重子質(zhì)量為

M≈1.6725×10^-24×10⁸⁰=1.6725×10⁵⁶(克)(11)

（8）、（10）、（11）三式給出的定量結(jié)果基本上是一致的，但霍金沒有論及宇宙質(zhì)量是否存在負解的問題。

3 關(guān)于黑洞

恒星演化因其質(zhì)量不同有三種結(jié)局：白矮星、中子星和黑洞。白矮星和中子星分別靠電子簡并壓強和中子簡并壓強來維特穩(wěn)定。質(zhì)量超過能形成中子星天體的質(zhì)量，其演化結(jié)局，根據(jù)目前的理論不存在使其穩(wěn)定的機制。從而發(fā)生無限塌縮，形成體積為0，密度為∞的點狀黑洞^[6]。

4 點狀黑洞令人驚異的性質(zhì)

4.1關(guān)于黑洞不能發(fā)射引力的邏輯證明

鑒于宇宙中含有正、負質(zhì)量，有必要說明形成黑洞的物質(zhì)是正質(zhì)量。當(dāng)大質(zhì)量天體塌縮形成黑洞時，要經(jīng)過引力半徑R_g=2GM/c²這一點，但在這一點是不穩(wěn)定的，會進一步塌縮成體積V_g=0、密度ρ_g=∞的點狀黑洞。具體可表為

V_g= =0 =>M=0(12)

ρ_g= =∞ =>M=0(13)

從（12）、（13）兩式可知，此時形成黑洞的正質(zhì)量變成了0，0質(zhì)量的天體當(dāng)然不能發(fā)射引力（引力子），因而也就不存在引力場，形成黑洞的正質(zhì)量退出了引力相互作用。這是點狀黑洞令人驚異的性質(zhì)（筆者曾與焦善慶教授合作，用另外的方法證明了黑洞不能發(fā)射引力，詳見文[7]）。

黑洞不能發(fā)射引力證畢。

關(guān)于正質(zhì)量變成0涉及的質(zhì)量守衡問題，稍后將給出說明。

4.2 黑洞是正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量的途徑

（12）、（13）兩式表示的M=0，是指形成黑洞的正質(zhì)量變成了0。根據(jù)質(zhì)量守衡定律，正、負質(zhì)量都是不能消滅的。正質(zhì)量變成0，說明正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了絕對值相等的負質(zhì)量，宇宙總質(zhì)量的絕對值并沒有改變，所以，質(zhì)量仍然守衡的，可稱為宇宙總質(zhì)量絕對值守衡定律。

點狀黑洞具有負能量（負質(zhì)量），還可以從霍金的觀點中推出：霍金認為，一個接近黑洞的正能粒子，會變成負能粒子^[5]。而與黑洞最接近的就是黑洞自身，所以黑洞也應(yīng)該具有負能量，這個結(jié)論在邏輯上必定成立。

5 宇宙有正、負質(zhì)量的物理意義

（1）代表宇宙在質(zhì)量上的對稱性。

（2）體現(xiàn)了自然界事物之間總是相互制約的普遍規(guī)律。正質(zhì)量產(chǎn)生引力，負質(zhì)量產(chǎn)生斥力，二者之間相互制約。

（3）正、負質(zhì)量是宇宙的內(nèi)稟性質(zhì)，是與生（宇宙如果有過“生”的問題）俱來的。

（4）正、負質(zhì)量代表宇宙的兩極，是宇宙的整體性質(zhì)。

6 正、負質(zhì)量和相互作用

正質(zhì)量之間相互吸引，如正質(zhì)量的地球吸引正質(zhì)量的物體（吸引是相互的）；負質(zhì)量之間是相互排斥的，故負質(zhì)量不能成團；正、負質(zhì)量之間也是相互排斥的，原因是負質(zhì)量有負體積，使空間擴展；正質(zhì)量有正體積，使空間收縮。故二者必定相互排斥。

從邏輯上講，正、負質(zhì)量不能相遇，因為二者相互排斥，這是其一；其二是如果相遇，不是產(chǎn)生湮滅，而是相互抵消“中和”。如“兩塊”絕對值相等的正、負質(zhì)量相遇，即有（+M）+（-M）=O?！爸泻汀钡慕Y(jié)果是使二者都變成O。但這違反宇宙總質(zhì)量絕對值守衡定律，因而是不可能的；再者，若“兩塊”絕對值不等的正、負質(zhì)量相遇，“中和”的結(jié)果將剩下絕對值較大的那種質(zhì)量，如（+M）+（-2M）=-M，但這仍然違反宇宙總質(zhì)量絕對值守衡定律，故也是不可能的。正負質(zhì)量之間只能相互轉(zhuǎn)化，不能“中和”，以保證宇宙總質(zhì)量絕對值守衡定律成立。喬奧·馬古悠（JoaoMagueijo）^[16]認為，光速改變理論提供了使真空能轉(zhuǎn)換成宇宙物質(zhì)的機制。

必須指出：正、負電子湮滅不是正、負質(zhì)量之間的湮滅，因為二者的質(zhì)量都是正的^[8]。湮滅的生成物2γ光子仍然是正質(zhì)量（正能量）。而正、負質(zhì)量“中和”不存在生成物。如果正、負質(zhì)量能夠湮滅，當(dāng)二者絕對值相等時生成物是正能量還是負能量？顯然沒有合理的答案，因而是不可能的。

正負質(zhì)量性質(zhì)對比

正質(zhì)量性質(zhì)負質(zhì)量性質(zhì)

顯示引力（動力學(xué)效應(yīng)）顯示斥力（幾何效應(yīng)）

有正體積有負體積

成團彌漫

有正能量有負能量

壓強為正壓強為負

有形無形

有正密度有正密度（負質(zhì)量比負體積）

使宇宙膨脹減速使宇宙膨脹加速

7 負質(zhì)量的存在形式和性質(zhì)

負質(zhì)量以真空能的形式彌漫于整個空間，有正密度：用（-M）代替（+M），用（13）式計算出的就是負質(zhì)量的密度，是正的；負質(zhì)量有負體積：用（-M）代替（+M），用（12）式計算出的就是負質(zhì)量的負體積，其物理意義為：負質(zhì)量不僅不占有空間，反而使空間擴大。所以，負質(zhì)量的斥力是以其具有的負體積來實現(xiàn)的。

（12）、（13）是描寫負質(zhì)量性質(zhì)的兩個公式，因為此時正質(zhì)量已變成0，轉(zhuǎn)化成了負質(zhì)量。

負質(zhì)量的物態(tài)方程（即真空的物態(tài)方程）為：

P=-ρ_v c^2[2]（14）

即負質(zhì)量產(chǎn)生的壓力（壓強）是負的，P與ρ_v反號，由（13）式知負質(zhì)量有正密度，前已述及。其負壓力的表現(xiàn)形式就是其有負體積，使空間擴展膨脹，就是宇宙的膨脹。由此可知，宇宙膨脹是幾何效應(yīng)，而非動力學(xué)效應(yīng)。

8 關(guān)于暗能量

所謂暗能量，實際上就是宇宙中負質(zhì)量所具有的能量。這樣，就使暗能量由推測它存在變成了有來歷的存在，是宇宙內(nèi)稟性質(zhì)的存在。這比推測要可信得多。負質(zhì)量所具有的負能量具備暗能量的全部性質(zhì)，但它絕不含有“120個量級”的差距。

9 相關(guān)文獻中的負質(zhì)量問題

負質(zhì)量概念在相關(guān)文獻中早已有之，簡述如下：

文獻[2]認為，真空具有負質(zhì)量，負壓力，并指出，如果真空有正密度ρ_v，壓力P就是負的，負的壓力相當(dāng)于負的質(zhì)量，負質(zhì)量的作用是斥力，而不是引力。

文獻[8]認為，存在反物質(zhì)宇宙（文獻[8]所指反物質(zhì)即本文的負質(zhì)量物質(zhì)——筆者），哈勃發(fā)現(xiàn)的退行星系是由反物質(zhì)組成的，反物質(zhì)具有斥力性質(zhì)。

文獻[9]在論及由正物質(zhì)（即本文的正質(zhì)量物質(zhì)）制造的飛船，如何才能安全地通過蟲洞就涉及到“負壓強”、“負能量區(qū)域”，并認為“沒有人對這種負物質(zhì)能否在自然界存在有絲毫的主意”。

負質(zhì)量不是新概念，只是人們對它的認識還很不充分。

10 宇宙的平均密度

由于宇宙間有絕對值相等的正、負質(zhì)量，且每種質(zhì)量的密度都是正的，負質(zhì)量有正的密度，不僅僅是本文用（13）式代入（-M）的計算結(jié)果，還見于文獻[2]，但文獻[2]并沒有說明為什么負質(zhì)量有正密度，本文用（13）式之計算結(jié)果為此提供了一種解釋。要計算宇宙的平均密度ρ₀，必須計及正、負質(zhì)量的各自貢獻。

已知M_c=±1.28×10⁵⁶克（見（8）式），宇宙半徑取R=200億光年，算得的ρ₀為：

ρ₀≈9.0209×10^-30（克/厘米³）（15）

其中正、負質(zhì)量各貢獻50%。

由于宇宙總質(zhì)量是常數(shù)，所以（15）式所表的ρ₀也是常數(shù)，是ρ₀的理論值。

本文之所以對“120個量級”持否定態(tài)度，就是因為宇宙含有的正、負質(zhì)量對宇宙平均密度的總貢獻只有如（15）式所表之量級，又怎么可能從理論上算出相差120個量級的結(jié)果來？“120個量級”需要的宇宙總質(zhì)量是多少？如何計算出來的？如果宇宙中根本不存在“120個量級”需要的質(zhì)量，“120個量級”又從何而來？

文獻[1]給出的暗能量密度ρ_λ值為：

ρ_λ∝10^-29克/厘米³（16）

若與本文算出的ρ₀相比較，仍有ρ₀<</SPAN>ρ_λ（見（15）式）。

11 正質(zhì)量有26%轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量的觀測證據(jù)

觀測證實：宇宙中普通物質(zhì)（即本文的正質(zhì)量物質(zhì)）占4%；暗物質(zhì)（亦為本文的正物質(zhì)）占20%；暗能量（即本文負質(zhì)量所具有的能量）占76%^[10]。由此可以直接推知：暗能量超過50%的部分，即26%的暗能量必定是由正物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來，因為暗能量原來只占50%。

由于約有26%的正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了負質(zhì)量，這樣，正、負質(zhì)量對宇宙平均密度ρ₀的貢獻不再相等，ρ₊與ρ_-的數(shù)值大小，由它們在質(zhì)量上所占比率決定，有

ρ₊=ρ₀×(4%+20%)

=9.0209×10^-30×24%

=2.1650×10^-30(克/厘米³)（17）

ρ_-=ρ₀×76%

=9.0209×10^-30×76%

=6.8559×10^-30（克/厘米³）（18）

二者的比值為：

宇宙的臨界密度ρ_c為

(20)

與本文（18）式計算的ρ_-比較，有

ρ_->ρ_c（21）

由此可知，宇宙必然加速膨脹。

由于負質(zhì)量也有正密度，若用ρ_c作為宇宙狀態(tài)的判據(jù)，只能與本文的ρ_-或ρ₊進行比較，不能與宇宙的平均密度做比較。

12 對宇宙加速膨脹的新解釋

本文推出宇宙加速膨脹之結(jié)論其邏輯過程是這樣的：

（1）宇宙總質(zhì)量有正、負解，正質(zhì)量表現(xiàn)出引力，負質(zhì)量表現(xiàn)出斥力，二者大小相等，方向相反，應(yīng)該可以相互抵消，使宇宙既不收縮也不膨脹，維持一個靜態(tài)穩(wěn)定的宇宙。

（2）但這種穩(wěn)定猶如一支筆尖朝下立在桌子上的鉛筆，很容易因為微小的擾動而失去平衡。

（3）對靜態(tài)宇宙的擾動來自正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量，打破了由正、負質(zhì)量絕對值相等維持的平衡，可稱為宇宙正、負質(zhì)量的自發(fā)對稱破缺。

（4）由于負質(zhì)量絕對值的增加，且負質(zhì)量具有負體積，從而使空間擴展，驅(qū)動宇宙加速膨脹。這樣，本文就對宇宙加速膨脹給出了新的解釋。說它新，就新在宇宙總質(zhì)量有正負解、正質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量、負質(zhì)量有負體積、黑洞是正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量的有效途徑、提出了宇宙總質(zhì)量絕對值守衡定律這幾點上。這也正是本文的創(chuàng)新之點。

13 對本文隱含的一個悖論的解釋

本文從宇宙的塌縮模型卻推出了宇宙必然加速膨脹的結(jié)論，這可視為本文隱含的一個悖論，需要給出解釋。

（1）塌縮模型是人強加給宇宙的，只是為了計算方便而作的假定，不能保證與宇宙的真實狀態(tài)相符。宇宙也不會因為你假定它塌縮就一定塌縮。

（2）宇宙總質(zhì)量有正、負解，就意味著宇宙可能有三種狀態(tài)：靜態(tài)、收縮或膨脹。具體由宇宙在演化過程中發(fā)生什么樣的事件決定。

（3）宇宙在演化過程中發(fā)生了正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量的事件，這才是決定宇宙實際狀態(tài)的關(guān)鍵，與具體的宇宙模型無關(guān)。

（4）鑒于以上（1）、（2）、（3），本文隱含的這一悖論不具邏輯上的真實性，這就是對本文表面上存在的悖論給出的解釋。

14 宇宙總質(zhì)量有正負解對宇宙學(xué)的影響

不管宇宙中有多少種物質(zhì)形態(tài)，也不管每種物質(zhì)形態(tài)的質(zhì)量各是多少，都必定是宇宙正、負總質(zhì)量中的一部分，都是從宇宙正、負總質(zhì)量中演化而來。這應(yīng)成為研究宇宙的出發(fā)點。宇宙學(xué)必須建立在宇宙總質(zhì)量有正、負解的基礎(chǔ)之上。

可以預(yù)見，宇宙總質(zhì)量有正、負解對宇宙學(xué)的影響將是持久而深遠的，筆者由于能力所限，暫不能作更為深入的討論。如果本文能起到拋磚引玉的作用，筆者就十分欣慰了。

15 本文的主要結(jié)論和預(yù)言

（1）宇宙總質(zhì)量有正負解

（2）給出了宇宙從無中創(chuàng)生的方程，該方程體現(xiàn)了宇宙創(chuàng)生遵守質(zhì)量（能量）守衡定律。

（3）負質(zhì)量產(chǎn)生的斥力和正質(zhì)量產(chǎn)生的引力同時創(chuàng)生，相互作用的真正“大統(tǒng)二”發(fā)生在宇宙的創(chuàng)生時刻，只有斥力和引力。不存在大統(tǒng)一（統(tǒng)一于一種相互作用）。

（4）負質(zhì)量的能量就是暗能量，是宇宙總能量的一個數(shù)學(xué)—物理解。

（5）解釋了在宇宙極早期為什么有Ω=1。

（6）計算表明，與宇宙學(xué)常數(shù)和暗能量有關(guān)的“120個量級”的困難并不存在。

（7）對宇宙加速膨脹給出了新解釋。

（8）提出了宇宙總質(zhì)量絕對值守衡定律。

（9）奇點黑洞是正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量的途徑。

（10）宇宙中所有物質(zhì)形態(tài)的存在，都必定是由正負質(zhì)量演化而來。

（11）宇宙整體上的對稱性是正負質(zhì)量的對稱。

（12）對大型強子對撞機實驗結(jié)果的預(yù)言。

①大爆炸是獨一無二的頂級高能事件，有無中生有、有生于無的事件；實驗是有生有的實驗，二者不能相提并論，大爆炸不能模擬。

②如果能產(chǎn)生奇點小黑洞，可能使正質(zhì)量轉(zhuǎn)化成負質(zhì)量。

③正反物質(zhì)不是最基本的對稱性，是正質(zhì)量物質(zhì)內(nèi)部的對稱性，實驗可能產(chǎn)生反物質(zhì)。

④如果存在超對稱伙伴粒子，必定由負質(zhì)量構(gòu)成，實驗不可能直接檢測到，這就是至今沒能發(fā)現(xiàn)一個伙伴粒子的原因。

16 幾點說明

本文完成后，筆者又查閱了以下諸文獻，現(xiàn)將有關(guān)結(jié)果列出，作為支持本文的證據(jù)。

（1）文獻[11]指出：關(guān)于“120個量級”的計算，由于引入了不合理的假定條件，才產(chǎn)生這一差距。雖然與筆者否定“120個量級”的理由不同，但仍可視為對本文觀點的支持。

（2）文獻[12]認為，宇宙的質(zhì)量為M=10²²M_⊙，這與筆者算出的M_C在量級上相同；文獻[13] 給出的數(shù)值為M=10⁵⁶克，與筆者的結(jié)果在量級上一樣；文獻[14]給出的結(jié)果為M=10²¹M_⊙，與筆者的結(jié)果相差一個量級。這些結(jié)果在相當(dāng)高的程度上支持了本文關(guān)于宇宙總質(zhì)量的計算。但以上諸文獻都沒有論及宇宙總質(zhì)量有負解的問題。

（3）文獻[15]在論述天體收縮形成黑洞的過程時指出：“……最終的結(jié)果是所有的物質(zhì)都集中在中心，這時它們就不受引力的作用”。筆者對此的理解是：形成黑洞的物質(zhì)不再受引力的作用，相當(dāng)于點狀黑洞沒有引力效應(yīng)，可視為對本文認為的形成黑洞的正質(zhì)量退出了引力相互作用這一觀點的支持。

文獻[15]在討論真空的性質(zhì)時，認為“每一能量對應(yīng)著一個特定的質(zhì)量，因此，質(zhì)量密度將和真空能量密度一起出現(xiàn)”。筆者對此的理解是：質(zhì)量（正質(zhì)量）和真空能量（即本文負質(zhì)量所具有的能量）一起產(chǎn)生，這正是對宇宙總質(zhì)量有正、負解的支持。

請專家學(xué)者們賜教。

參考文獻

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