郝建宇{宇宙总质量正负解和宇宙加速膨胀——兼回答暗能量为什么存 宇宙暗能量

宇宙总质量正负解和宇宙加速膨胀

——兼回答暗能量为什么存在

郝建宇

[摘 要]宇宙总质量MC有正、负解，MC=±(c3/2HOG）。其中的正质量有一部分通过形成黑洞的方式转化成了负质量，使正、负质量在数量上失去了平衡。负质量有负能量、负体积、产生斥力，驱动宇宙加速膨胀；暗能量就是负质量所具有的能量；在观测事实的基础上，预言了宇宙中大约有26%的正质量转化成了负质量。

[关键词]宇宙总质量正、负质量 黑洞 负能量宇宙加速膨胀

引言

面对已被观测确证的宇宙正在加速膨胀的事实，人们企图用宇宙常数λ给出解释。当把λ视为量子真空能时，则λ的理论值将比观测值大120个量级^[1]。本文用宇宙总质量有正、负解的定性和定量结果，否定了“120个量级“带来的困扰，推出了宇宙必然加速膨胀的结论。

1 哈勃常数和塌缩宇宙的总质量

宇宙的临界密度ρ_c定义为

ρ_c= 　　　　（1）

H₀——哈勃常数，G——引力常数

现假定宇宙一个典型的区域，其体积为V，内含质量M_C，则这个区域的平均密度ρ₀为

ρ₀= （2）

再进一步假定这个区域塌缩成黑洞，则体积V是

将（3）代入（2）得

令ρ₀=ρ_c，即令（4）=（1），化简得：

R_g可表为

R_g= （6）

将（6）代入（5）化简得

M_c= =±（7）

宇宙总质量由H₀、G、c三个常数决定并有正、负解是耐人寻味的。

取H₀=150公里/（秒·1千万光年）^[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）

相当于6.4×10²²M_⊙的质量(M_⊙≈2×10³³克)

致于M_C为什么是宇宙的总质量,不再给出解释。

从(7)式可知:若宇宙是静态的(H₀=0),则M_C将为±∞。故当H₀＞0，（7）式可视为塌缩宇宙总质量有限的证明。

以上是笔者十年前写的一篇短文^[3]，十年后又有新的理解，故将该文摘要抄出，作为论证宇宙加速膨胀的理论根据。致于如何从宇宙的塌缩模型推出宇宙必然加速膨胀的结论，本文将给出逻辑证明。

2 宇宙总质量有正、负解与具体的宇宙模型无关

采用宇宙的塌缩模型，M_C有正、负解；张邦固^[4]也曾计算了宇宙的总能量，他的结果表为

M=+Kc^-2+M₀（9）

M也有正、负解。但文[4]的计算方法和采用的宇宙模型与笔者完全不同，这说明M有正、负解与具体的模型无关，它是宇宙的一个内禀型性质。文[4]的定量结果是

M≈8.36×10⁵⁴(克)(10)

但文[4]认为“负质量没有物理意义”。

霍金（Stephen Hawking）认为，宇宙大体有10⁸⁰个重子质量^[5]。若用质子质量代表重子质量，（质子质量≈1.6725×10^-24克）,则10⁸⁰个重子质量为

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

（8）、（10）、（11）三式给出的定量结果基本上是一致的，但霍金没有论及宇宙质量是否存在负解的问题。

3 关于黑洞

恒星演化因其质量不同有三种结局：白矮星、中子星和黑洞。白矮星和中子星分别靠电子简并压强和中子简并压强来维特稳定。质量超过能形成中子星天体的质量，其演化结局，根据目前的理论不存在使其稳定的机制。从而发生无限塌缩，形成体积为0，密度为∞的点状黑洞^[6]。

4 点状黑洞令人惊异的性质

4.1关于黑洞不能发射引力的逻辑证明

鉴于宇宙中含有正、负质量，有必要说明形成黑洞的物质是正质量。当大质量天体塌缩形成黑洞时，要经过引力半径R_g=2GM/c²这一点，但在这一点是不稳定的，会进一步塌缩成体积V_g=0、密度ρ_g=∞的点状黑洞。具体可表为

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

ρ_g= =∞ =>M=0(13)

从（12）、（13）两式可知，此时形成黑洞的正质量变成了0，0质量的天体当然不能发射引力（引力子），因而也就不存在引力场，形成黑洞的正质量退出了引力相互作用。这是点状黑洞令人惊异的性质（笔者曾与焦善庆教授合作，用另外的方法证明了黑洞不能发射引力，详见文[7]）。

黑洞不能发射引力证毕。

关于正质量变成0涉及的质量守衡问题，稍后将给出说明。

4.2 黑洞是正质量转化成负质量的途径

（12）、（13）两式表示的M=0，是指形成黑洞的正质量变成了0。根据质量守衡定律，正、负质量都是不能消灭的。正质量变成0，说明正质量转化成了绝对值相等的负质量，宇宙总质量的绝对值并没有改变，所以，质量仍然守衡的，可称为宇宙总质量绝对值守衡定律。

点状黑洞具有负能量（负质量），还可以从霍金的观点中推出：霍金认为，一个接近黑洞的正能粒子，会变成负能粒子^[5]。而与黑洞最接近的就是黑洞自身，所以黑洞也应该具有负能量，这个结论在逻辑上必定成立。

5 宇宙有正、负质量的物理意义

（1）代表宇宙在质量上的对称性。

（2）体现了自然界事物之间总是相互制约的普遍规律。正质量产生引力，负质量产生斥力，二者之间相互制约。

（3）正、负质量是宇宙的内禀性质，是与生（宇宙如果有过“生”的问题）俱来的。

（4）正、负质量代表宇宙的两极，是宇宙的整体性质。

6 正、负质量和相互作用

正质量之间相互吸引，如正质量的地球吸引正质量的物体（吸引是相互的）；负质量之间是相互排斥的，故负质量不能成团；正、负质量之间也是相互排斥的，原因是负质量有负体积，使空间扩展；正质量有正体积，使空间收缩。故二者必定相互排斥。

从逻辑上讲，正、负质量不能相遇，因为二者相互排斥，这是其一；其二是如果相遇，不是产生湮灭，而是相互抵消“中和”。如“两块”绝对值相等的正、负质量相遇，即有（+M）+（-M）=O。“中和”的结果是使二者都变成O。但这违反宇宙总质量绝对值守衡定律，因而是不可能的；再者，若“两块”绝对值不等的正、负质量相遇，“中和”的结果将剩下绝对值较大的那种质量，如（+M）+（-2M）=-M，但这仍然违反宇宙总质量绝对值守衡定律，故也是不可能的。正负质量之间只能相互转化，不能“中和”，以保证宇宙总质量绝对值守衡定律成立。乔奥·马古悠（JoaoMagueijo）^[16]认为，光速改变理论提供了使真空能转换成宇宙物质的机制。

必须指出：正、负电子湮灭不是正、负质量之间的湮灭，因为二者的质量都是正的^[8]。湮灭的生成物2γ光子仍然是正质量（正能量）。而正、负质量“中和”不存在生成物。如果正、负质量能够湮灭，当二者绝对值相等时生成物是正能量还是负能量？显然没有合理的答案，因而是不可能的。

正负质量性质对比

正质量性质负质量性质

显示引力（动力学效应）显示斥力（几何效应）

有正体积有负体积

成团弥漫

有正能量有负能量

压强为正压强为负

有形无形

有正密度有正密度（负质量比负体积）

使宇宙膨胀减速使宇宙膨胀加速

7 负质量的存在形式和性质

负质量以真空能的形式弥漫于整个空间，有正密度：用（-M）代替（+M），用（13）式计算出的就是负质量的密度，是正的；负质量有负体积：用（-M）代替（+M），用（12）式计算出的就是负质量的负体积，其物理意义为：负质量不仅不占有空间，反而使空间扩大。所以，负质量的斥力是以其具有的负体积来实现的。

（12）、（13）是描写负质量性质的两个公式，因为此时正质量已变成0，转化成了负质量。

负质量的物态方程（即真空的物态方程）为：

P=-ρ_v c^2[2]（14）

即负质量产生的压力（压强）是负的，P与ρ_v反号，由（13）式知负质量有正密度，前已述及。其负压力的表现形式就是其有负体积，使空间扩展膨胀，就是宇宙的膨胀。由此可知，宇宙膨胀是几何效应，而非动力学效应。

8 关于暗能量

所谓暗能量，实际上就是宇宙中负质量所具有的能量。这样，就使暗能量由推测它存在变成了有来历的存在，是宇宙内禀性质的存在。这比推测要可信得多。负质量所具有的负能量具备暗能量的全部性质，但它绝不含有“120个量级”的差距。

9 相关文献中的负质量问题

负质量概念在相关文献中早已有之，简述如下：

文献[2]认为，真空具有负质量，负压力，并指出，如果真空有正密度ρ_v，压力P就是负的，负的压力相当于负的质量，负质量的作用是斥力，而不是引力。

文献[8]认为，存在反物质宇宙（文献[8]所指反物质即本文的负质量物质——笔者），哈勃发现的退行星系是由反物质组成的，反物质具有斥力性质。

文献[9]在论及由正物质（即本文的正质量物质）制造的飞船，如何才能安全地通过虫洞就涉及到“负压强”、“负能量区域”，并认为“没有人对这种负物质能否在自然界存在有丝毫的主意”。

负质量不是新概念，只是人们对它的认识还很不充分。

10 宇宙的平均密度

由于宇宙间有绝对值相等的正、负质量，且每种质量的密度都是正的，负质量有正的密度，不仅仅是本文用（13）式代入（-M）的计算结果，还见于文献[2]，但文献[2]并没有说明为什么负质量有正密度，本文用（13）式之计算结果为此提供了一种解释。要计算宇宙的平均密度ρ₀，必须计及正、负质量的各自贡献。

已知M_c=±1.28×10⁵⁶克（见（8）式），宇宙半径取R=200亿光年，算得的ρ₀为：

ρ₀≈9.0209×10^-30（克/厘米³）（15）

其中正、负质量各贡献50%。

由于宇宙总质量是常数，所以（15）式所表的ρ₀也是常数，是ρ₀的理论值。

本文之所以对“120个量级”持否定态度，就是因为宇宙含有的正、负质量对宇宙平均密度的总贡献只有如（15）式所表之量级，又怎么可能从理论上算出相差120个量级的结果来？“120个量级”需要的宇宙总质量是多少？如何计算出来的？如果宇宙中根本不存在“120个量级”需要的质量，“120个量级”又从何而来？

文献[1]给出的暗能量密度ρ_λ值为：

ρ_λ∝10^-29克/厘米³（16）

若与本文算出的ρ₀相比较，仍有ρ₀<</SPAN>ρ_λ（见（15）式）。

11 正质量有26%转化成负质量的观测证据

观测证实：宇宙中普通物质（即本文的正质量物质）占4%；暗物质（亦为本文的正物质）占20%；暗能量（即本文负质量所具有的能量）占76%^[10]。由此可以直接推知：暗能量超过50%的部分，即26%的暗能量必定是由正物质转化而来，因为暗能量原来只占50%。

由于约有26%的正质量转化成了负质量，这样，正、负质量对宇宙平均密度ρ₀的贡献不再相等，ρ₊与ρ_-的数值大小，由它们在质量上所占比率决定，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）

二者的比值为：

宇宙的临界密度ρ_c为

(20)

与本文（18）式计算的ρ_-比较，有

ρ_->ρ_c（21）

由此可知，宇宙必然加速膨胀。

由于负质量也有正密度，若用ρ_c作为宇宙状态的判据，只能与本文的ρ_-或ρ₊进行比较，不能与宇宙的平均密度做比较。

12 对宇宙加速膨胀的新解释

本文推出宇宙加速膨胀之结论其逻辑过程是这样的：

（1）宇宙总质量有正、负解，正质量表现出引力，负质量表现出斥力，二者大小相等，方向相反，应该可以相互抵消，使宇宙既不收缩也不膨胀，维持一个静态稳定的宇宙。

（2）但这种稳定犹如一支笔尖朝下立在桌子上的铅笔，很容易因为微小的扰动而失去平衡。

（3）对静态宇宙的扰动来自正质量转化成负质量，打破了由正、负质量绝对值相等维持的平衡，可称为宇宙正、负质量的自发对称破缺。

（4）由于负质量绝对值的增加，且负质量具有负体积，从而使空间扩展，驱动宇宙加速膨胀。这样，本文就对宇宙加速膨胀给出了新的解释。说它新，就新在宇宙总质量有正负解、正质量可以转化成负质量、负质量有负体积、黑洞是正质量转化成负质量的有效途径、提出了宇宙总质量绝对值守衡定律这几点上。这也正是本文的创新之点。

13 对本文隐含的一个悖论的解释

本文从宇宙的塌缩模型却推出了宇宙必然加速膨胀的结论，这可视为本文隐含的一个悖论，需要给出解释。

（1）塌缩模型是人强加给宇宙的，只是为了计算方便而作的假定，不能保证与宇宙的真实状态相符。宇宙也不会因为你假定它塌缩就一定塌缩。

（2）宇宙总质量有正、负解，就意味着宇宙可能有三种状态：静态、收缩或膨胀。具体由宇宙在演化过程中发生什么样的事件决定。

（3）宇宙在演化过程中发生了正质量转化成负质量的事件，这才是决定宇宙实际状态的关键，与具体的宇宙模型无关。

（4）鉴于以上（1）、（2）、（3），本文隐含的这一悖论不具逻辑上的真实性，这就是对本文表面上存在的悖论给出的解释。

14 宇宙总质量有正负解对宇宙学的影响

不管宇宙中有多少种物质形态，也不管每种物质形态的质量各是多少，都必定是宇宙正、负总质量中的一部分，都是从宇宙正、负总质量中演化而来。这应成为研究宇宙的出发点。宇宙学必须建立在宇宙总质量有正、负解的基础之上。

可以预见，宇宙总质量有正、负解对宇宙学的影响将是持久而深远的，笔者由于能力所限，暂不能作更为深入的讨论。如果本文能起到抛砖引玉的作用，笔者就十分欣慰了。

15 本文的主要结论和预言

（1）宇宙总质量有正负解

（2）给出了宇宙从无中创生的方程，该方程体现了宇宙创生遵守质量（能量）守衡定律。

（3）负质量产生的斥力和正质量产生的引力同时创生，相互作用的真正“大统二”发生在宇宙的创生时刻，只有斥力和引力。不存在大统一（统一于一种相互作用）。

（4）负质量的能量就是暗能量，是宇宙总能量的一个数学—物理解。

（5）解释了在宇宙极早期为什么有Ω=1。

（6）计算表明，与宇宙学常数和暗能量有关的“120个量级”的困难并不存在。

（7）对宇宙加速膨胀给出了新解释。

（8）提出了宇宙总质量绝对值守衡定律。

（9）奇点黑洞是正质量转化成负质量的途径。

（10）宇宙中所有物质形态的存在，都必定是由正负质量演化而来。

（11）宇宙整体上的对称性是正负质量的对称。

（12）对大型强子对撞机实验结果的预言。

①大爆炸是独一无二的顶级高能事件，有无中生有、有生于无的事件；实验是有生有的实验，二者不能相提并论，大爆炸不能模拟。

②如果能产生奇点小黑洞，可能使正质量转化成负质量。

③正反物质不是最基本的对称性，是正质量物质内部的对称性，实验可能产生反物质。

④如果存在超对称伙伴粒子，必定由负质量构成，实验不可能直接检测到，这就是至今没能发现一个伙伴粒子的原因。

16 几点说明

本文完成后，笔者又查阅了以下诸文献，现将有关结果列出，作为支持本文的证据。

（1）文献[11]指出：关于“120个量级”的计算，由于引入了不合理的假定条件，才产生这一差距。虽然与笔者否定“120个量级”的理由不同，但仍可视为对本文观点的支持。

（2）文献[12]认为，宇宙的质量为M=10²²M_⊙，这与笔者算出的M_C在量级上相同；文献[13] 给出的数值为M=10⁵⁶克，与笔者的结果在量级上一样；文献[14]给出的结果为M=10²¹M_⊙，与笔者的结果相差一个量级。这些结果在相当高的程度上支持了本文关于宇宙总质量的计算。但以上诸文献都没有论及宇宙总质量有负解的问题。

（3）文献[15]在论述天体收缩形成黑洞的过程时指出：“……最终的结果是所有的物质都集中在中心，这时它们就不受引力的作用”。笔者对此的理解是：形成黑洞的物质不再受引力的作用，相当于点状黑洞没有引力效应，可视为对本文认为的形成黑洞的正质量退出了引力相互作用这一观点的支持。

文献[15]在讨论真空的性质时，认为“每一能量对应着一个特定的质量，因此，质量密度将和真空能量密度一起出现”。笔者对此的理解是：质量（正质量）和真空能量（即本文负质量所具有的能量）一起产生，这正是对宇宙总质量有正、负解的支持。

请专家学者们赐教。

参考文献

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