物理學(xué)不存在了？宇宙竟然沒有遵守能量守恒定律？

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。

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”。

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。

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。

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”。

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。

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。