宇宙学原理新探讨——纪念爱因斯坦相对论发表100周年

[摘要] 本文从“能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则”的宇宙学原理出发，研究宇宙万物生存和演化的基本规律，期望从中找出一条探索宇宙学的新路。

关键词：宇宙学，能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则，宇宙学原理

当今世界，在宇宙学研究方面，人们提出了各式各样的模型，但每种宇宙模型都只能解释一些宇宙现象，都有无法克服的困难。事实证明，科学研究还是要遵循实践一—理论 —一再实践的法则，以物质不灭定律，能量守衡定律，质能转换原理为基础来开展工作，离开物质基础和这些的基本原理，建立起来的任何“理论”，都是靠不住的，都必须扬弃。

作者经过多年研究，在分析大量天象观测事实和物理学定律的基础上，从可观测宇宙的出发，提出了“能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则”的宇宙学原理 ①。并用这个宇宙学原理，来回答宏观世界和微观世界中，宇宙万物生存和演化的基本规律。

人类社会发展的历史表明，科学发展的道路从来都不是一帆风顺的，会碰到各式各样的困难和阻力。但人类社会总要前进，我们从来都是在大风大浪中前进的，过去是这样，现在是这样，将来一定还是这样！

什么是宇宙？“物质、运动、时间、空间的总体集合”就是宇宙。什么是宇宙学原理？“能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则”就是宇宙学原理。

宇宙学原理，使宇宙万物都自然选择球形结构。生活在地球上的人们，能直接看到太阳和月亮都是球形状态。人造地球卫星和宇宙飞船发回的照片清楚地表明，太阳系的九大行星是球形,各行星的卫星是球形，宇宙中的天体大都呈现球形状态，都是宇宙学原理支配的结果。

天体测量表明，太阳由 71 % 的氢，27% 的氦，2% 的其它元素组成。气体是最容易形变的物质，太阳自然选择球形结构，就是能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则作用的结果。宇宙中数以亿计的恒星，主要也由氢气组成，它们都自然选择球形结构，以此保持能量最低的动态平衡状态，以利自身的生存和发展。

宇宙中的天体都为什么都自然选择球形结构呢？几何原理表明，“在一切表面积相等的的立体中，球体具有最大的体积” ②。反过来，“体积相等的物体中，球的表面积最小”。根据物质结构原理，体积相等的物体中，表面积最小者能量最低，最稳定。

本文研究的宇宙，是以物质为基础的，实实在在的可观测宇宙。物质不灭定律，能量守恒定律，质能转换原理，是我们的理论基础。宇宙万物生存和演化的事实表明，无论宏观世界还是微观世界，物质生存和演化的基本规律，都遵守我们的宇宙学原理。我们是辩证唯物论者，物质的存在及其状态，是我们研究宇宙学的出发点。

将盛有水银的杯子带入太空舱中，水银会自然选择球形状态；小朋友们吹出的肥皂泡，自然形成球形；从水下上升的气泡，自然形成球形；泼向空中的水，自然形成球珠落下等等。这些事实，就等于从实验上证明了宏观物体为了获得能量最低和动态平衡状态，自然选择球形结构的道理。

我们设计了一个实验，将磁粉盛入密闭的玻璃缸中，放进太空舱内，经过相当长的时间后，磁粉将会自然聚集成球形状态，以此验征宇宙中天体的成因。

质量是物体存在的标志，能量是物体状态的标志。质量是能量的载体，没有质量就没有能量，没有物质就没有宇宙。什么是质量？质量就是物体含物质的多少，惯性质量和引力质量差别的提法，是没有意义的，马赫惯性力的观点是错误的。

地球是太阳系中的一员，是宇宙沧海中的一粟，是人类生活的家园。在地球的引力场中，物体的能态用下式表示：

（2—1）式中，第一项为物体存在的标志，第二项是物体状态的标志，第三项是物体相对于参照系的势能。能量最低，就是指宇宙中的物体，在一定约束的条件下，达到动态平衡时所处的最低能量状态。

宇宙中的物质都在永恒地运动着，物质存在于相互作用的物质场中。在地球引力场的作用下，地面上的水总是从高处往低处流；从碗口放入碗内的钢珠，在碗内滚来滚去，最后仃止在碗底；抛出的物体、射出的炮弹，总要落到地面上等等，大量的事实表明，物体总是自然选择能量最低的状态。

在地球约束的条件下，地面上静止的铁环倒在地上，滚动着的铁环不倒；静止的陀螺倒在地上，旋转着的陀螺东奔西跑也不会倒下；杂技演员可以骑着摩托车，在圆形壁上飞跑不会掉下来，这些都是动态平衡状态的体现。

地球常常通过火山爆发或地震来释放能量，向着能量最低方向演化；其它行星也要通过星震或火山爆发来释放能量，向着能量最低方向演化；太阳和宇宙中的恒星，都在不仃地进行着质子——质子循环，或碳——氮循环的热核反应来释放能量，向着能量最低方向演化。宇宙万物都自然选择地向着能量最低的方向发展，这是不可抗拒的自然规律。

从（2—1）式可以看出，在选定的参照系内，物体的能量状态，由动能与势能之和来决定。当h=0和v=0（V是物体相对于参考系运动的速度）时，处于动态平衡状态下的物体的能量最低状态，表示为

V_K是呈载物体m的参照系的运动速度。（2—2）式表明，宇宙中没有绝对静止的物体，也就不存在能量为零的物体状态。宇宙万物演化的自然法则是，由高能量状态向低能量状态演化，从有序向无序发展 。

宇宙万物在演化过程中，释放能量与吸收能量是常常发生的，平衡是容易被打破的，平衡与不平衡是对立统一的。物体吸收能量，使无序向有序转化；物体释放能量，使有序向无序转化，这就是宇宙保持着蓬勃的生机的道理。

宇宙中的天体，都生存于动态平衡之中，没有动态平衡就没有和谐的宇宙。

几何原理表明，“面积一定的所有平面图形中，圆的周界最短”。行星绕日运动，自然选择圆形或椭圆形轨道，就是受能量最低原理，动态平衡原理支配的结果。行星在绕太阳公转的同时，还要不仃地自转，以此来维持自身的动态平衡。各行星的卫星在绕行星公转的同时，也要不仃地自转，以此来维持卫星的动态平衡。行星公转产生的向心势能与离心势能的平衡，维持着行星公转轨道的平衡；行星自身质量产生的引力，与行星自转产生的离心斥力的平衡，维持着行星自身的状态平衡。

宇宙中的天体，既使演化到了中子星、黑洞阶段，它们都自然选择球形状态，并高速旋转着，以此获得能量最低和动态平衡状态，以利自身的生存和演化。中子星和黑洞，并非宇宙中天体演化的末日，中子星和黑洞也要继续演化和发展下去。

宇宙万物，都具有自然选择能量最低和动态平衡状态的本能，我们称之为自然选择法则。

开普勒三大定律，就是行星绕日运动维持动态平衡的最好证明。

开普勒第一定律表明，行星绕日运动的轨道为椭圆（圆），太阳处在椭圆的一个焦点上。

开普勒第二定律表明，行星在绕日运动的过程中，在相等的时间内，矢径扫过的面积相等

（2—3）式为行星公转轨道是椭圆的情形，（2—4）式为行星公转轨道是圆的情形。

行星为了自动调节状态平衡，在过近日点时运动得快，过远日点时运动得慢，自然遵守角动量守恒规律。地球运行到靠冬季这半年为179天，靠夏季这半年为186天，自动调了节状态平衡。成百上千的人造地球卫星的运行规律，完全符合动态平衡原理，这就等于从实验上证明了动态平衡原理的正确性。

太阳系的九大行星绕日运动的轨道，几乎都在同一个平面内，天体在有心力场中运动都遵守这样的规律。由于每一个星球都不是标准球形，它们的轴也就不是准中心轴，所以行星在绕太阳公转的同时还会产生进动。水星会进动，地球会进动，每个行星都会进动，只不过进动量大小不同而已。天体都在进动，但绝大多数的天体，都有自动调节运转轨道闭合的本领。

在太阳系的各行星之间，有很多流星和慧星，它们都有可能闯入行星。事实表明，各个行星和它们的卫星都被流星撞击过，它们的身上都有累累的伤痕。1994年曾经发生过利维一一苏梅克慧星裂片撞击木星的天象奇观，但是，木星绕太阳公转的轨道，几乎没有发生什么变化，因为慧星裂片质量与木星质量相比，只不过是微扰而巳。

天体以稳定平衡为生存和演化的条件。稳定平衡源于动态平衡，动态平衡源于能量最低状态，能量最低是基础的基础。

能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则是宇宙学原理，理所当然也是微观物质生存和演化的基本理论。1911年，卢瑟福在粒子轰击金箔实验结果的基础上，提出了原子的核式结构。紧接着，玻尔又在原子核式结构的基础上，提出了原子结构的量子化理论。原子光谱规律的发现，有力地证明了量子化规则的正确性。

原子由原子核和电子组成。原子中的电子，按量子力学规则分层绕原子核运动。原子的状态，由能量来决定。原子的能量，由电子绕原子核运动的轨道的半长轴来决定，与短轴无关，这叫做能量的简并。电子绕原子核运转，R大V小，R小V大，与行星绕太阳运动的规律相似，故有人称原子模型为行星模型。原子中电子按能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则进行排列的规律是：

电子在原子中的排列，服从量子化理论，遵守泡利原理和洪特规则。这些理论、原理和规则，都是宇宙学原理的体现。原子结构中，为什么会存在泡利不相容原理呢？因为处在同一个轨道上的两个电子，如果自旋同向，则交换积分能量高；如果两个电子自旋反向，则交换积分能量低，所以电子自然选择能量低的结构，这就是泡利不相容原理的本质。

原子核由质子和中子组成，原子核中的质子和中子，也受宇宙学原理支配，自然选择球形结构。

当原子受到干扰时，有些电子可能从较低能带跃迁到较高能带上去。凡是处在激态上的电子，都要寻找一切机会释放能量，跃迁回低能带上去，使原子保持低能量的稳定状态。

原子中电子绕核运动速度的方向，始终垂直轨道半径，所以轨道无相对论时空伸缩，原子的大小保持不变，这是物体存在的基础。

微观系统中粒子，处于永恒地运动中。当微观系统达到状态平衡时，系统中粒子的运动是处于完全无序的状态，系统的能量最低，熵最大，最稳定。

密闭容器中的气体分子，服从麦克斯韦速度分布；绝对黑体中的量子辐射，服从普朗克定律；费米子，服从费米——狄拉克统计；玻塞子，服从玻塞——爱因斯坦统计等等。统计规律，就是微观粒子自然选择能量最低和动态平衡状态的体现。

〈图3—1〉是速度分布规律，〈图3—2〉是黑体辐射规律。对（3—1）式进行数学处理，可以得出统计平均速率；均方根速率；最可几速率。在这三种速率中，系统的真实状态，应当是能量最低的最可几状态。

(3—3)式表明，微观系统处于状态来衡时，应当自然选择能量最低最的可几状态。

玻耳兹曼深知，微观系统处于状态来衡时，能量最低，熵最大。但在定义热力温度时，却又用统计平均能量来处理。根据统计平均能量，得出的热力学温度，能量均分定理是：

根据能量最低的最可几状态，定义的温度、能量、能量均分定是：

系统的真实状态，应当是（3—7）（3—8）（3—9）式表现的规律，现行的热力学和统计物理学，由于系统的能量选择不正确，所以就出现了各处都人为地引凑合系数的现象，这是现代热力学的明显缺陷。为了纪念玻耳兹曼对热力学的贡献，在他的墓碑上刻着熵增原理公式（现在的熵变公式是）以示纪念。

物体的导电能力决定于两个条件：第一，导体能提供的带电粒子的多少；第二，带电粒子在导体中易于定向运动的程度。

物质中参与导电的电子，是原子中最外层的价电子。在任何原子中，同一个能态上若有了两个电子，它们的自旋方向必定相反，这就是泡利不相容原理。泡利不相容原理的实质，就是原子自然选择能量最低状态的体现。两个电子自旋反向排列在一起，它们的交换积分能量低。导体的价电子公有化后，它们便自然选择成对地结合在一起，形成自旋反向的电子对。物体导电的本质，就是导体中自由电子对定向运动的结果。超导体导电与普通导体导电，没有本质的差别，同样是自旋反向的电子对，在导体中的定向运动。导体与超导体的差别是，一般导体的电子对分布在导体之中，如[图4—1]所示；而超导体的电子对分布在导体的表面，如[图4—2]所示。当外加电压作用于超导体时，电子对就在超导体的表面畅通无阻地定向运动，所以电阻率极小，这就是超导体导电的本质。

超导体中电子对的产生，是能量最低原理作用的自然结果，不是什么虚声子作用制造出来电子对。

超导体为什么大都是合金，不是单质金属呢？其原因就是在极低温度下，合金中有几种原子的原子实时，原子实彼此容易被约束起来，保证电子都趋于导体表面。而单纯的金属的原子实不容易被约束住，比合金更难于进入超导状态，在温度更低的情形下，原子实才能紧密地紧靠在一起，使物体进入超导状态。

超导体为什么具有抗磁性呢？当外加磁场作用于超导体时，超导体的能量状态相应升高，分布在超导体表面的电子对，为了维持超导体能量最低和动态平衡状态，电子对中一半电子，将改变自旋方向，使所有的电子自旋方向一致，产生一个反向磁场，以抵抗外磁场的作用，维持超导体的能量在新的立太阳能的能量最低和动态平衡状态。这就是超导体的抗磁屏蔽原理。外加磁场的大小有个限度，当外加磁场超过临界值时，会引起原子实磁感应而扰动，从而破坏物体的超导特性。

在超导状态下，外加电压也不能太大，外加电压过大也会使用原子实受电磁力作用而扰动，破坏原子实的有序密排列，干扰和阻碍电子对的定向运动，从而破坏了物体的超导特性。

纳米技术，是20世纪80年代末期出现的新技术。将构成物体的物质加工到纳米尺寸之后，材料就呈现出许多人们预想不到的、稀奇古怪的的特性。纳米材料特性，用宇宙学原理最好说明。

假设将有一个半径为1毫米的小球，研磨成半径为10纳米的球形颗粒后，表面积就扩大了100000倍，物体的能量大大地提高了，物质的活性也就大大地增强了。物质能量状态提高后，就导致了物体的物理、化学、生物、冶炼、---特性的改变。例如：块状金的熔点是1337K，将金颗粒制成2nm大小后，其熔点降为600K；块状银的熔点是1173 K，银纳米化后，熔点降为373K。

金、银、铜、铝等等都是强反光材料，纳米化后，它们都变成了强吸光材料，变成了黑色物质。这就是当光照射到纳米材料时，由于光波波长与晶粒尺寸相当，就容易产生共振吸收，反射很小，金、银、铝也就变成黑色物质。

当物质微粒尺寸纳米化后，还容易诱发晶体振荡，导致晶体的晶格断裂，引起声、光、热、电、磁等物理性质变化。金属大都是电的良导体，纳米化后，晶粒活性大大增强，原子实无规范则振动强烈，不能给载流子提供顺畅的通路，所以纳米化后有的物体的导电能力变得很差，甚至变成了绝缘体。纳米特性的实质，就是物质微粒化后，能量状态极大地提高了的体现。

纳米材料由于活性很强，容易产生化学反应，有些纳米材料还可以当催化剂用。任何化学反应，都爱能量最低原理，动太平衡原理，自然选择法则的支配。用宇宙学原理来研究化学反应，是最有效的方法。

任何物体的性质，都决定于物体的能量状态。物体的能量提高了，组成物体的分子的活泼性就增强，物体的稳定性就降低了。

现在人们发现的自然规律，都用数学物理方程表示出来，并将它们应用于科学研究和生产实践当中。正确的数学物理方程，必须符合“能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则。” 不符合宇宙学原理的数学物理方程，是不准确或者是错误的。

在地球引力场中，物体从高处自由落下的运动规律，满足自由落体的数学物理方程。自由落体方程，也是运动物体自然选持能量最低的短程线方程。

从（5—1）式知道，物体自由落体的运动方程，与物体的质量无关。如果让物体沿着光滑的软杆下落，在此约束的条件下，物体将自然选择走能量最低和动态平衡的最速降落曲线。

这里的变分，就是求m从A到B的最短时间。函数的函数称泛函，求泛函的极值叫变分。宇宙万物的运动和变化，都自然选择能量最低，动态平衡的极值路径——短程线。

在研究数学物理方程时，科学家从能量最低的角度出发，寻求建立满足极值条件的数学物理方程。在达朗贝尔、哈密顿、拉格朗日、泊松等等科学家的努力下，以动能T与势能U为基础，建立起了一系列的数学物理方程，有力地推动了现代科学技术的发展。我们应当沿着这条正确的道路前进，开创科学研究的新局面。

在建立数学物方程时，不能随意引入某个常数，随意引入常数得出数学物理方程，其正确性应当打个问号？建立数学物理方程，要根据宇宙学原理，自然地得出数学物理方程来。比如物体的宏观动能，它就是从相对论的质量，利用二项式定理展开时，自然得的E_K值。也可以根据自由质点以速度V运动，到质点静止下来所消耗的功来定义：

根据牛顿第二定律的质点微分方程（5—4）式移项得（5—5）式

F为主动力，N为约束力，利用哈密顿原理，结合拉格朗日函数L，就可以建立最小作用量原理积分方程

最小作用量原理，就是要（5—6）式的积分为一个极值。这就表明拉格朗日方程，也是建立在能量最低原理，动态平衡原理基础之上的理论。利用拉格朗日函数，就能确定粒子运动轨迹随时间变化的规律。

数学物理方程的求解是比较麻烦鞋的，特别是边值型方程。拉普拉斯提出了一种数学变换，可以将边界条件包含在变换方程之中，使其解拉普拉斯方程的结果，再求反演而得原函数，使求解数学物理方程变得简单容易。

（5—7）式，就是拉普拉斯变换公式。解数学物理方程时，首先对方程进行拉普拉斯变换，然后求拉普拉斯方程的反演，就得到方程的解。数学物理方程的内容十分丰富，这里只是从宇宙学原理来说明，数学物理学方程的建立基础和重要意义。

1 物质、运动、空间、时间构成的宇宙中，物质的生存和演化的规律，就是能量最低原理，动态平衡原理，自然选择法则的宇宙学原理。

2 宇宙万物生存和演化规律，都是从有序向无序发展，从高能态向低能态转化。生物的生存和进化，是有序和无序有机地、能动地、自然地进行。从外界吸收能量使无序向有序转化，生物体进行自组织、自发展、自完善的过程。

3 一切自然科学规律，都将以数学物理方程的形式表达出来，才能服务于人类社会的进步和发展。建立数学物理方程，检查数学物理方程正确与否的尺子，就是宇宙学原理。

4 宇宙学原理是认识宇宙，研究宇宙自然规律的基础。宇宙万物的生存和演化，都可以从能量的变化表现出来，能量特性真正具有统一场论论的特征，地球人应当在能量的研究上下功夫。

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