相信大家都知道,所謂的能量守恒定律,就是指能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中,能量的總量保持不變。
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但或許你不知道的是,在宏大的宇宙尺度上,宇宙竟然沒有遵守能量守恒定律,這是怎么回事呢?下面我們就來聊一下這個話題。
在宇宙誕生之初,第一批光子開始在空間中穿行,它們承載著極高的能量,頻率很高,波長很短。經(jīng)過了上百億年的漫長旅途,當(dāng)這些光子終于抵達(dá)地球時,它們已經(jīng)變成了所謂的“宇宙微波背景輻射”。
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然而當(dāng)我們觀測到這些光子的時候,這些光子的能量其實是大幅度“縮水”了的。為什么呢?
因為在這上百億年里,宇宙空間本身一直在膨脹,這些光子在拉伸的空間里穿行,它們的波長就被空間拉長了,而我們都知道,光子的能量與波長是成反比的,波長越長,能量就越低。
這時候,最關(guān)鍵的問題來了:這些丟失的能量去哪兒了?在牛頓經(jīng)典力學(xué)的框架下,你或許能勉強拼湊出一個解釋,但在愛因斯坦的廣義相對論里,答案非常干脆:這些能量哪兒也沒去,它們就是單純地消失了。
原因簡單來講就是,空間膨脹并不是一種力在推著光子走,而是光子存在的“背景”變了,這就導(dǎo)致了原本定義的能量也就失去了存在的基石。
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除此之外,科學(xué)家還發(fā)現(xiàn),宇宙不僅是在膨脹,而且是在加速膨脹。
推動這種加速的力量被稱為“暗能量”,它有一個奇怪的特性,那就是其密度是恒定的,這聽起來非常違背常理,對吧?
通常我們認(rèn)為,能量擴(kuò)散開來,密度應(yīng)該下降才對,但是暗能量卻不是這樣,因為它是空間自帶的某種屬性,隨著宇宙膨脹,空間變得越來越多,而每一份新生的空間都自帶一份等量的暗能量。
這意味著,宇宙中暗能量的總量正隨著空間的膨脹而不斷增加,也就是說,這些能量就是憑空產(chǎn)生的,完全來自于空間自身的擴(kuò)張。
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由此可見,在宇宙膨脹的背景下,宇宙并沒有遵守能量守恒定律。看到這里,你可能會感到一種深深的困惑:難道說物理學(xué)不存在了嗎?
其實不然,因為科學(xué)家已經(jīng)找到了合理的解釋,這就要提到數(shù)學(xué)家艾米·諾特提出的那個“諾特定理”,該理論指出,宇宙中每一個守恒定律的背后,其實都對應(yīng)著一種“對稱性”。
簡單來講,對稱性就是指某種東西變了,但物理規(guī)律卻沒變。比如說你在北京做一個自由落體實驗,得出的重力加速度,其實和你在上海得出的實驗結(jié)果是一模一樣的,這說明物理規(guī)律不隨空間位置的改變而改變,這就叫“空間平移對稱性”。
諾特用數(shù)學(xué)證明了,只要空間是平移對稱的,就必然推導(dǎo)出“動量守恒”。
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再比如說,你把實驗裝置旋轉(zhuǎn)90度,實驗結(jié)果還是不變,這叫“旋轉(zhuǎn)對稱性”,它對應(yīng)的是“角動量守恒”。這些守恒定律并不是宇宙強加給我們的補丁,而是空間本身具備的簡潔美所帶來的數(shù)學(xué)必然。
那么,能量守恒對應(yīng)的是哪種對稱性呢?諾特告訴我們,它對應(yīng)的是“時間平移對稱性”。意思就是說,如果你今天的物理實驗結(jié)果和昨天、明天、后天甚至1000年后的結(jié)果都一樣,如果物理定律的“背景環(huán)境”不隨時間流逝而發(fā)生變化,那么能量就必然守恒。
在我們的日常生活中,在地球上的實驗室里,甚至在整個太陽系的范圍內(nèi),時空結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)幾乎是靜止不動的,時間對稱性保持得非常好,所以能量可以認(rèn)為是守恒的。
但是,當(dāng)我們把視線拉到宇宙的宏大尺度時,情況就完全變了。
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因為宇宙在膨脹,這意味著今天的宇宙和昨天的宇宙在幾何結(jié)構(gòu)上是不一樣的,并且變化幅度非常大,現(xiàn)在的空間比一秒鐘前更空曠,星系間的距離更遠(yuǎn),由于背景環(huán)境本身就在隨時間演化,因此宇宙就在整體上不存在“時間平移對稱性”。
既然“時間平移對稱性”不存在,那么基于這個前提推導(dǎo)出來的能量守恒定律,當(dāng)然也就失效了。
總而言之,我們之所以覺得能量守恒,是因為我們?nèi)祟愄煨×耍覀兩娴某叨忍。瑝勖蹋瑢?dǎo)致我們觀察到的時空背景看起來永遠(yuǎn)是那么的堅固、永恒且不變。
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