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宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

思考一下,为什么中国人口14亿,平时没什么事,一到春运的时候火车站非常拥挤,显得格外热闹?

思考一下,为什么中国人口14亿,平时没什么事,一到春运的时候火车站非常拥挤,显得格外热闹?很简单呀,平时人口都平摊到中国城市的各个空间(承载空间大),这时候看着很平静(密度小能量低),一到春节都往车站挤(承载空间小),就热闹了(密度高能量高)。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

图:春运高速变成停车场

宇宙膨胀空间由小变大,能量密度低了,能量总量不变,如果倒放一下宇宙收缩空间由大变小,就如同把光都挤到“车站”去了,能量就高了。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

图:宇宙膨胀,波长变长,红移

回答到这里,估计你能理解了,但是实际这题只回答了一半,如果要深入地讲,还有一半很难回答,因为现在说的是光子,涉及到“量子力学”波粒二象性,甚至是无法回答,因为涉及到“量子引力”目前人类还无法无法破解,下面由浅入深地讲一讲:

当单个光子在恒星间穿行数年,当恒星和观测者之间的宇宙空间膨胀时,它组团的光波,波长会变长,而具体到一个光子本身能量会降低,那它的能量去哪了?

量子层面

划重点:很多人可能有一个误区,认为光波(电磁波)是由大量光子组成的。实际上单个光子也可以形成电磁波,这是“量子力学”中的核心,即波粒二象性。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

图:薛定谔的猫

如果说一束光是大量光子组成,那就可以说是量子形成的波组成。单个光子同时是电磁波也是光子,想一下薛定谔那只“即死又活的猫”的生死叠加态,同理光子处于“波与粒子的叠加态”,所以当你说到“光子”的时候,实际上它本身也具备波动性。为了理解这里用一个不太恰当的比喻,当你让光子从波的状态显现为光子的状态,发现它变“红”了,但是你没考虑到单个光子形成的波长其实更长了。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

图:电子云与电子波粒二象性

关于光子只能说到这里,因为量子力学还无法兼容引力和宇宙膨胀。目前宇宙膨胀,引力都属于《广义相对论》范畴,我们目前只能用仅有的现有的、实验论证过的理论来描述。

宇宙膨胀

老爱《广相》的发表,惠勒精辟地总结道(说人话):质量使时空弯曲,时空告诉物体如何运动。然后才有了光会跟随质量弯曲的时空偏转,可见时间+空间决定了光的命运。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

然而老爱犯了一个错误,删掉宇宙膨胀,宇宙变为静态。哈勃发现了星系退行的速度与距离成正比,但哈勃只好一口烟,淡泊名利(内心:这事太大了,不能出头),甩出结果说:你看啊,这是我观测到的,你们自己看着办。也不发表结论,然后就没有然后了,最终神父乔治斯·勒梅特看来是修行没到位呀,发现了宝藏,拉着老爱,哈勃(劝说有福同享),于是有了哈勃定律和宇宙的形态。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

图:宇宙膨胀形象比喻图

既然时空决定了光的命运,那么宇宙膨胀了,光也理所当然也要跟随空间膨胀了,然后波长就长了,才有我们所说的红移。为什么要把这个过程讲一遍,其实是为了让你体会时空膨胀的变化,看看上面的格子变化,记住!这很重要,下面还会考。

类比

如果一个罐子中,气体分子具有大量能量,就像一个人吃了“兴奋剂”,它们会疯狂乱跑,原本一个人站个100平,两室两厅就够了,现在一个操场都装不下它。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

在小的空间中,它们的个体具有的能量高,不断的碰撞四周,也就是说光子的内壁具有压强。如果这个罐子具有弹性的,它就会像气球一样被吹大。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

图:吹大之后的分子运动

它们吹大容器的过程,就如同用力“推”墙壁的过程,要用力必然要损失能量,也就说“兴奋剂”的药效释放了出去,对外做了功,比较蔫吧了,再加上现在由一个个“两室两厅”,都改为别墅了,所以它们就比较安逸了。

如果你仔细一想会发现这其实和宇宙膨胀很像。宇宙变大了,光子的活动空间大了,所以能量降低了。但是是不是感觉这个理由(借口)似乎哪里有点问题?

的确,你很聪明,区别在于光子是被动拉长的。小时候玩没玩过把不带针的注射器一头堵住,然后如同抽血似的使劲抽注射器,就像是在抽真空,针筒里面原本的空气分子都可以分配上“五室3厅”,你非要给他们一人整一个操场,这就是光子的写照。

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

还有第二个区别,如果你还记得上面那个空间格子,你会发现宇宙膨胀是它变大了。而气体分子是空间变多了。再举个例子,气体分子是100平的公寓换成1000平的操场,而宇宙膨胀是100平公寓并没有换,而是直接变成了1000平的公寓,如果此时你去看看楼下的操场你会发现它变成了10000平。这能说明什么呢?

宇宙膨胀光发生红移,光子能量凭空消失了?

左:气体的空间变大;右:光子的空间膨胀

光会受空间所影响,空间变长,它也被拉长,原本它有100的能量给了100平的公寓,每平米均摊1的能量,现在公寓变成了1000平,那每平米就均摊到0.1的能量。换而言之,光的能量密度下降了,单位空间上光子的能量低了。

那能量守恒不守恒?原来是1X100=100,现在是0.1X1000=100,即能量守恒。如果宇宙膨胀倒放回去,那么1000平的公寓,退回100平,那么单位能量又会变为1。

所以我们不能光看光子“红”了,而是要看光子是如何“红”的,说白了就是不要看眼前,要有大局观。

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