论能量与空间的相互转化
？论文关键词:空间半径能量空间守恒关系摘要:本文论证了能量和空间是统一的，推导了能量空间守恒关系，对大爆炸理论和宇宙加速膨胀现象给出了合理的解释。
？
？
1.？能量和空间的关系
？
1.1能量空间守恒关系的推导
？
？因为宇宙是一个孤立的系统，不受任何外力的影响，所以宇宙的中心是绝对静止的，宇宙的中心也是宇宙中所有物质(包括光子)的质心。
？首先说明万有引力定律定义的质量应该是物体总能量对应的质量。以一个光子为例，光子的静止质量为零，但光子本身因为有能量而受到万有引力，引力透镜效应证明了这一点。如果两个物体静止时质量相同，一个物体吸收大量光能，能量增加，那么它会比一个不吸收光能的物体受到更大的引力。
？让两个物体的能量。并且，距离是，根据爱因斯坦质能关系，对应的质量分别是和，所以它们之间的引力可以表示为:
？
首先，考虑只有两个具有相同能量的粒子彼此远离的情况:
设某一时刻的总能量为，？离中心的距离是？瞬间，粒子与中心的距离变化如下:一个粒子被另一个粒子吸引如下:
？
能量的变化是:
？
对上述公式进行变形，得到
？
然后综合上面的公式，你就得到
？
也就是
？
？
？
？
？图1
？
？其次，考虑四个具有相同能量的粒子彼此远离的情况:
如图1，设某一时刻的总能量为？离中心的距离是？瞬间，离质点中心的距离变化如下:一个质点被其他三个质点吸引如下:
？
能量的变化是:
？
对上述公式进行变形，得到
？
然后综合上面的公式，你就得到
？
也就是
？
？对于能量分布和半径均匀的球壳，任意一点对其他点的引力相当于球壳中心的引力:
？
能量的变化是:
？
球壳瞬时均匀膨胀的能量变化如下:
？
然后综合上面的公式，你就得到
？为了探索宇宙能量与空间相互转化的关系，建立了以宇宙中心为原点的坐标系。设某一时刻的宇宙总能量为，宇宙中有粒子。它们的能量分别为，每个粒子的能量与宇宙总能量的比值分别为，对应的离宇宙中心的距离分别为。我们将此时的空间半径定义为:
？
对于总能量一定的孤立系统，由于能量分布不同，空间半径和能量分布系数也不同。
任何粒子的引力都是每个粒子对该粒子的引力的矢量和。假设宇宙瞬间均匀膨胀，就可以计算出宇宙在这种状态下的能量分配系数。
对于以上三种情况，对应的能量分配系数分别为？还有。
对于各种状态下的能量分布，下列等式都是正确的:
？(1)
这个公式就是能量空间守恒关系。
在…之中
？-孤立系统的总能量
-?空间半径
？-?能量分布系数(
- ?万有引力常数()
？-?真空中的光速
- ?能量空间常数
？
？能量空间守恒关系适用于孤立系统。孤立系统是不受外力影响，不与外界交换能量的系统。宇宙是一个孤立的系统。
？
1.2势能的再认识
？
？将能量空间守恒关系转化为
其中，可视为宇宙的空间能量，以。
本文将万有能量常数的倒数定义为，则能量空间的守恒关系可以表示为
？(2)
？
？可见物质和空间的能量之和不守恒，但它们的倒数之和守恒。我们在课本上学过，一个质量为0的物体从0的高度开始下落到地面。此时其势能为0，落地后转化为动能，即物体动能和势能之和守恒。严格来说，物体在下落的过程中引力越来越大，所以上述势能的计算是相对的，近似的。地球可以近似地看作一个孤立的系统。在物体下落过程中，地球和物体的总能量在增加，而地球和物体的空间能量在减少。其实物体下落的过程就是空间转化为能量的过程。
？
？由此我们也可以理解，物质和空间的能量是可以相互转化的，但宇宙的能量常数是永恒的，物质或空间的能量永远大于宇宙的能量常数。
？
2.？守恒关系在能量空间中的应用
？
2.1?空间半径的计算及能量空间守恒关系的实例分析
？
？对于半径和能量密度相同的球体，可以通过微积分计算出空间半径。对于一个到中心的距离为，厚度为的球壳，其能量为，所以球体的空间半径为。
？
？
？假设有一个能量分布均匀的孤立系统。当半径为0时，其能量为0。现在计算当它膨胀到一个半径为的球体时，它的能量变成了多少。
根据能量空间守恒关系，有
？
其中空间半径
？
？
利用微积分可以得到能量分布均匀的球体的能量分布系数，所以
如果半径从展开到扩大一倍，代入上式即可求出。
？
？可以看出，当这个孤立系统的半径增大一倍时，其能量变为千分之一，能量密度变为千分之一，而当半径增大一倍时，其能量变为只有四分之三左右，能量密度变为十分之一左右。这与大爆炸开始时宇宙的能量密度或温度急剧下降，然后能量密度或温度变化的幅度减小的说法是一致的。
？
2.2应用能量空间守恒关系解释宇宙能量和空间的变化。
？
？根据能量空间守恒关系，可以画出如图2所示的双曲线。
？
图2
？虽然现在还不知道宇宙的能量空间常数，但曲线的形状和实际曲线是一样的，只是现在不能给出它的尺度。
因为宇宙膨胀的变化很小，可以视为常数，所以和成正比。
从能量空间守恒关系可以得到图中各点对应的宇宙能量和空间半径。这时，
所以此时宇宙的能量，此时宇宙的空间半径。
？可以看出，在大爆炸初期，随着宇宙半径的增大，宇宙能量迅速下降，这与大爆炸理论是一致的。当宇宙总能量大于宇宙能量常数的两倍时，宇宙能量的变化大于空间半径的变化，其变化率随宇宙膨胀而减小。此时空间半径的变化大于能量的变化，变化比随着宇宙的膨胀而增大，即宇宙处于加速膨胀状态。从65438年到0998年，天文学家通过观测发现我们的宇宙处于这种状态。但是宇宙不会膨胀到一无所有。根据能量守恒关系和图2可以看出，宇宙的能量总是大于并逐渐趋近于宇宙的能量常数，即宇宙的能量存在一个最小极限。虽然我们不知道宇宙的能量常数是多少，但是我们知道，宇宙的能量常数小于现在宇宙的总能量，超过被观测星系总能量的一半。另一方面，看BIGBANG里的情况，宇宙的空间半径也有一个最小限度。因此，根据能量守恒关系，宇宙空间半径的最小极限是。
？
2.3应用能量空间守恒关系计算地球上物体的能量变化。
？
？地球可以看作一个近似孤立的系统，现在利用能量空间守恒关系计算地球上物体的能量变化。
？设地球的能量为，半径为，假设质量相同的球同时以相同的速度抛向地球两端。球投出时，能量为，到达最高点时离地心的半径为，能量为。可以认为地球的能量是不变的，只有球的能量在变化。地球的已知质量为，为了简化计算，球的质量为，因为地球上所有粒子的重力合力相当于地球的能量。
？(3)
首先，求初态的能量分布系数
球上的力是:
？
？
通过整合上述公式，您得到
？
设初始状态的空间半径为，球到达最高点时的空间半径为，则
？
？
代入上面的公式，你得到
？
因此
？
因为球的能量变化相对于地球的能量可以忽略不计，所以
？
？
？
将公式(19)转换为
？
因为，，所以。
？
因为，所以
？
？这个公式说明了球的能量变化约等于球的重力乘以球的高度，与我们目前计算球的能量变化的公式完全一致，证明了能量空间守恒关系是正确的。事实上，根据公式(3)计算球的能量变化是准确的。
？
？
参考资料:
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[2]?哈利迪，雷斯尼克，沃克。学习基础[M]。北京:出版社，2005:1184-1185。
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(新加坡瓦西兰船舶设计公司(629977))？
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