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1、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亦民科摘 要宇宙总质量M有正、负解，M = (C3/2HG)。其中的正质量有一部分C C O 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0 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入给出解 释。当把A视为量子真空能时，贝从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
2、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p定义为c1)3H 2p =0c8n GH哈勃常数，G引力常数0现假定宇宙一个典型的区域，其体积为V,内含质量M，则这个区域的平均密度Cp为02)再进一步假定这个区域塌缩成黑洞，则体积V是3)4)4V兀R3(R引力半径)3gg将( 3)代入( 2)得3M C 4兀R 3令p =p，即令 (4)0c1)，化简得：5)6)MH 2C 二 0-R32GgR 可表为gR = 2GMg c 2将(6)代入(5)化简得7)C 6C 3M=二土一c 4H 2G22H GV 0 0宇宙
3、总质量由 H 、G、c 三个常数决定并有正、负解是耐人寻味的。0取H=150公里/ (秒1千万光年)(需化成CGS制)0G=6.67X10-8 厘米 3 克-1 秒-2c=3 X 1010厘米/秒代入( 7)算得M 1.28X 1056 (克)(8)C相当于6.4X 1022M的质量(M 2 X 1033克) 致于 M 为什么是宇宙的总质量,不再给出解释。C从(7)式可知:若宇宙是静态的(H=0),则M将为8。故当H 0, (7)式可视为0C0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
4、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有正、负解；张邦固也曾计算了宇宙的总能量，他的C结果表为3GM 2M=+KC-2+M(9)5RC 20M 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M8.36X 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108个重子质量。若用质子质量 代表重子质量，（质子质量=1.6725X 10-24克），则1080个重子质
5、量为M1.6725 X 10-24X 1080=1.6725 X 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g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
6、形成黑洞时，要经过引力半径R=2GM/c2这一点，但在这一点是不稳定的，会g进一步塌缩成体积v=0、密度pg=g的点状黑洞。具体可表为gV = 3乃 G3 M 3 =0=m=0g3c6（12）=3c6=g =M=0g 32兀 G3M 2（13）从(12)、(13)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
7、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
8、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） =0。“中
9、和”的结果是使二者都变成0。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。湮灭的生成物2 y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
10、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。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显示斥力（几何效应）显示引力（动力学效应）正负质量性质对比正质量性质负质量性质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
11、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=-p c2 2（ 14）v即负质量产生的压力（压强）是负的，P与p反号，由（13）式知负质量有正密度,v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“
12、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p，压力vP 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
13、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p ,必须计及正、负质量的各自贡献。已知M= 1.28X 1056克（见（8）式），宇宙半径取R=200亿光年，算得的p为： c0p 9.0209X 10-30 （克/厘米 3）（15）0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p也是常数，是p的理论值。 00本文之所以对“120个量级”持否定态度，就是因为宇宙
14、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p入值为：p *10-29 克/厘米 3（16）入若与本文算出的p 相比较，仍有p 0p入（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
15、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 p0的贡献不再相等，P与P的数值大小，由它们在质量上所占比率决定，有+p =P X (4%+20%)+0=9.0209X 10-30X 24%=2.1650X 10-30(克/厘米 3)(17)P =P X 76%-0=9.0209X 10-30X76%=6.8559X 10-3。(克/厘米 3)(18)二者的比值为：6.8559 X 10-302.1650 X 10-303.1740 (倍)(19)宇宙的临界密度p为c3H 2p = o 沁 5 x 10-30克/厘米(20)c 8兀
