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如果能量守恒,那宇宙膨胀时,光子损失的能量去了哪里?

“在各种化学反应中,不会发生物质质量的损失;在所有物理变化中,没有能量损失。”——亨利·恩菲尔德·罗斯科爵士

“在各种化学反应中,不会发生物质质量的损失;在所有物理变化中,没有能量损失。”——亨利·恩菲尔德·罗斯科爵士

上面这段话就是我们宇宙中的一个基本铁律:能量守恒定律,所说的意思就是,能量不会无缘无故的产生,也不会凭空消失,一定是从一种形式转化为了另外一种形式。例如我们生活的地球上的主要能量来自于太阳光,而太阳光的产生是太阳核心核聚变通过每秒钟消耗400万吨的质量释放的能量,这些能量通过光子的形式一部分达到地球,为我们提供了生存所必须的光和热。

如果能量守恒,那宇宙膨胀时,光子损失的能量去了哪里?

除了太阳能,我们的生活也离不开化学能,这是我们人类生产生活的主力能源,但不管能量怎样产生和被消耗,能量在传递的过程中都是守恒的。但是如果你经常看宇宙学的科普文,应该看到或者听到过这样的一段描述:宇宙大爆炸以后,空间不断的膨胀导致了光子失去能量,宇宙持续的冷却;或者是遥远的星系发出的光在漫长的空间中穿梭时,由于空间的不断扩张,导致了光的波长被拉长,出现红移,能量降低。

那么问题是,这些光子的能量去了哪里?既然能量是守恒的,这些光子能量转移到了什么地方?

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在宇宙诞生时,有一小部分能量转化为了普通物质,也就是以质量的形式表现了出来,这部分能量只占宇宙总能量的5%左右,也就构成了我们现在所看到的宇宙万物。我们可以通过化学反应和核反应的方式从物质中获取一部分能量,当你燃烧木头生火的时候:

原本的分子键会被打破并重新形成,木材和氧气会从一个不太稳定的化学结构转变为一个更稳定的结构灰烬和水蒸气,在这个过程中就会释放出能量。

如果我们能收集到燃烧过程所释放的能量,然后用爱因斯坦著名的E = mc^2进行转换,就会发现在产物和反应物分子的质量之间,有一个非常非常小的质量差。这个质量差就是所释放出来的能量。

事实上,所有形式的能量,在反应的每一步都是不变守恒的。

反应前后的质量差异在核反应中更为明显,因为核反应释放的能量更加巨大,比如太阳。我们的太阳从诞生到现在已经通过释放能量,损失了一个土星的质量了。

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但是,我们发现宇宙中的光子在膨胀的过程中失去能量的同时,貌似并没有任何东西因此获得了能量(或者质量)来补偿这个能量丢失。受爱因斯坦广义相对论控制的宇宙时空不是固定不变的“网格”,而是可以改变的,宇宙空间可以根据其内部物质和能量的数量和结构而发生弯曲,整个宇宙空间可以膨胀了收缩。

我们还知道光子的能量是由波长决定的,如果宇宙空间发生了膨胀或者收缩,那么光的波长和能量也会发生改变。那么光子能量去了哪里?

如果能量守恒,那宇宙膨胀时,光子损失的能量去了哪里?

如果你曾经仔细思考过这个问题,这肯定会困扰你,因为我们找不出能量的去向,而且我们可以肯定的是宇宙中发生所有物理过程中能量都应该是守恒的。难道是广义相对论、空间的膨胀违反了能量守恒定律吗?

答案可能是!因为广义相对论在定义很多的物理量的时候做得很好,也很精确,但从来没有提到过能量,换句话说,广义相对论没有对能量做出定义,方程中也没有能量守恒的规定。虽然如此,但我们还是能够对宇宙膨胀导致光子能量的丢失做出一个合理的理解。

如果能量守恒,那宇宙膨胀时,光子损失的能量去了哪里?

上图是气体分子在容器内的运动情况,我们知道物体的温度是组成其分子随机运动剧烈程度的表现。如果我们给上图中的气体继续加热,也就是增加其温度或内能,那么这些气体分子运动的速度会越来越快,它们会膨胀扩散开来占据更多的空间。

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如果我们加热上图中容器中的气体,分子热运动就会加剧,移动的更快,它们会以更高的动能撞击容器的内部,产生一个额外的正压。容器的上活塞就会被分子压力推出来,活塞的上移就会消耗气体分子的内能,也就是这些气体分子对活塞做了正功。

这种情况和宇宙膨胀时的情况非常相似,光子具有能量,有其波长的长短了决定,当宇宙空间发生膨胀的时候光子的波长就会被拉长,而光子此时失去的能量,就像是宇宙内部的压强,对宇宙本身做了正功!

更加准确的说,光子对宇宙做了正功,就像分子往上推活塞失去能量一样。但是如果我们让宇宙空间结构本身开始收缩,就像是我们压缩活塞,它里面的光子会发生什么?一个收缩的宇宙又会对光子做功,会重新使得光子获得能量。就像是被压缩的活塞导致了气体分子温度升高一样。

如果能量守恒,那宇宙膨胀时,光子损失的能量去了哪里?

其中失去的能量和重新获得的能量一样多。

所以我们认为,当宇宙膨胀时,光子失去能量。但这并不意味着能量不守恒;这意味着能量以做功的方式进入宇宙膨胀的空间本身。如果宇宙再一次逆转膨胀和收缩,那么宇宙又会反过来对光子进行做功,使得光子失去的能量直接回到光子里面。

在未来量子引力理论的出现和完善,将为我们带来一个更加严格的能量定于,我们将能够真正看到能量在宇宙的膨胀过程中是否守恒。但在缺乏严格定义的情况下,我们也能通过做功的方式对宇宙的能量守恒做出正确的理解。确实,宇宙的膨胀会导致光子失去能量,但能量不会永远消失,能量的损失加起来正好等于宇宙收缩时的能量。

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