能量既不能被创造，也不能被消灭。这条被称为能量守恒的原理是我们最珍视的物理定律之一。它支配着我们生活的方方面面：加热一杯咖啡所需的热量；树叶中产生氧气的化学反应；地球绕太阳的轨道；维持我们心脏跳动的食物。没有食物我们就无法生存，汽车没有燃料就无法行驶，永动机只是一个海市蜃楼。因此，当一项实验似乎违反了能量守恒定律时，我们理所当然地会感到怀疑。当我们的观察似乎与科学最根深蒂固的观念之一——能量总是守恒——相矛盾时，会发生什么？
暂时跳出我们地球的范围，考虑更广阔的宇宙。我们关于外太空的几乎所有信息都以光的形式出现，而光的一个关键特征是它会发生红移——它的电磁波会随着它从遥远的星系穿越我们不断膨胀的宇宙而拉伸，这符合阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。但是波长越长，能量就越低。因此，好奇的人们会问：当光因宇宙膨胀而发生红移时，它的能量去了哪里？它是否丢失了，违反了守恒原理？
现代物理学表明，当我们远离舒适的日常生活，去探索时间和空间的极端时，我们的许多基本假设开始崩溃。我们从爱因斯坦那里得知，同时性是一种幻觉，它会根据观察者的角度而改变，距离和持续时间的概念也是相对的。我们现在也怀疑，时间和空间的表观连续性可能就像物质看似光滑的外观一样具有迷惑性。在物理学中，我们还能依靠什么？我们哪些根深蒂固的原则是在蒙蔽我们的双眼，使我们看不到更深层次的真理？我们物理学家每天都在挑战已知的事物，并努力发现我们的知识在哪里不足或完全错误。历史上充斥着被抛弃的误解的残骸。能量守恒是其中一个被误导的观念吗？
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事实并非如此。在单个光子的尺度上，能量始终是守恒的，即使光发生红移也是如此。同样，对于我们银河系内发生的现象，违规几乎是不可能的，我们珍视的定律仍然建立在坚实的基础之上。但在宇宙尺度上，能量确实变成了一个微妙的概念，而这正是事情开始变得有趣的地方。
对称性和守恒
能量守恒不仅在经验上得到了多次验证，而且科学家也有充分的理论理由相信它。我们的信心来自于德国数学家埃米·诺特，她在大约100年前将能量守恒置于稳固的基础之上，当时她发现所有守恒定律都基于自然的对称性。
通常，您会认为对称性是您在镜子里看到的东西，某种反射或旋转。等边三角形是对称的，因为您可以将其侧翻或旋转三分之一圈，最终得到完全相同的形状。正方形也具有对称性，但您只需要将其旋转四分之一圈即可找到相同的配置。二维物体中最对称的是圆形，因为您可以将其旋转任意角度并围绕其中心的任何轴线反射它，它仍然完全相同——它显示了所谓的连续对称性。
物理定律也可能是对称的。时间的流逝不会改变自然规律；如果您多次重复一个实验——例如，使台球以给定的角度碰撞——结果始终相同。这种性质被称为时间对称性。自然规律不会随着您所在的位置而改变——因此我们具有空间对称性。自然规律也不会随着您观察的方向而改变（旋转对称性）。当然，风景可能会根据您站立的位置、您站立的时间以及您观察的方向而变化，但决定风景如何表现的基本潜在物理定律与您的位置、方向和时间无关。当一个定律保持不变，无论情况如何，它就像圆一样，被称为是连续对称的。
诺特发现的是，每当自然界表现出连续对称性时，就会伴随出现一个守恒定律，反之亦然。特别是，空间对称性决定了动量是守恒的；旋转对称性确保角动量是守恒的；时间对称性意味着能量是守恒的。
因此，说能量是守恒的，就像说物理定律现在与过去和未来一样稳固。另一方面，如果时间对称性被打破，能量守恒就会失效。正如我们将要看到的，这就是能量守恒可能在爱因斯坦的宇宙中开始陷入困境的地方。
顺其自然
没有比通过天文学家的望远镜观看过去的现场直播更好的方法来测试现在是否与过去相符，从而查看宇宙中的能量是否守恒。我们的望远镜现在非常强大，我们能够回溯到第一批星系形成的时候，甚至更远，回到宇宙大爆炸本身炽热的余辉。我们看到的光已经传播了数十亿年，在所有这些时间里，它首先击中的是我们望远镜的镜子。光的波长是我们评估守恒的关键。
在 20 世纪 20 年代，埃德温·哈勃发现大多数星系的光都发生了红移：他发现，除了离我们最近的星系之外，所有星系中原子（例如氢原子）发射或吸收的光子的波长，当它们到达我们这里时，与在家中相同原子发射的波长相比，似乎被拉伸了——拉伸程度大致与星系的距离成正比。事实上，自从发现这种现象以来，每当天文学家无法更直接地测量星系的距离时，他们都会使用红移作为代理来给出估计值。
红移（和蓝移）也一直在地球上发生。想象一下开车经过警用雷达。当您的汽车靠近时，来自雷达的电磁波在到达您时看起来会稍微缩小——如果您能看到它们的话。但是当您经过后，波浪看起来会有点拉伸。这就是多普勒效应：它是您在警报器经过时听到的熟悉的音调变化的电磁等效物。（警察可以通过测量雷达反射中的多普勒频移来判断您是否超速。）尽管在这种情况下，波不在可见光谱中，但物理学家仍然将波的拉伸和收缩分别称为红移和蓝移。
然而，宇宙学红移通常被认为与多普勒效应不同。多普勒频移是由相对运动引起的。在那种情况下，光子不会失去或获得能量；它们只是对您来说看起来与对发射器来说不同。相比之下，大多数广义相对论或宇宙学教科书都说，宇宙学红移的发生是因为当光传播时，它传播的空间本身就像一个膨胀的橡胶气球的表面一样被拉伸。
事实上，即使在似乎根本没有相对运动的情况下，宇宙学红移也可能发生，正如以下思想实验所示。想象一个遥远的星系，但通过长长的系绳与我们的星系相连。相对于我们而言，这个星系没有移动，即使它附近的星系都在远离我们。然而，标准计算表明，从系绳星系到达我们的光仍然会发生红移（尽管不如其附近的星系的光那么强烈，这些星系没有被拉出膨胀流）。这种红移通常归因于光线穿过的空间的拉伸。
奇特的物理学
因此，在膨胀宇宙中传播的光子似乎会失去能量。物质呢？它也会失去能量吗？当我们描述宇宙中物质的运动时，我们区分两种不同的类型。一个物体可以只是随着宇宙膨胀的总体流动而后退，就像我们气球上的点随着气球膨胀而彼此后退一样。在宇宙学中，这样的物体被称为共动。但是，一个物体也可能在其自身运动的基础上叠加由膨胀引起的运动。第二种类型称为特殊运动，当物体因局部效应（例如附近星系的引力或火箭的推力）而从膨胀的平稳流动中拖出时，就会发生这种情况。
星系本身总是至少具有一点特殊运动，但是对于遥远的星系（它们的后退速度比附近的星系快），特殊速度与它们的后退速度相比很小。在最大的尺度上，星系的分布是均匀的，因此局部效应可以忽略不计，并且星系基本上是共动的。可以将它们视为气球上的点，即膨胀空间结构的标志柱。
共动参考系（例如由星系定义的参考系）非常方便：例如，它给出了时间的通用约定，以便每个共动星系中的每个人都会同意宇宙大爆炸发生在多久以前。
如果一位星际旅行者漂流数十亿光年，他或她将经过许多这些标志柱星系。但是由于宇宙正在膨胀，标志柱彼此远离，因此我们的旅行者相对于他或她经过的每个后续星系而言，似乎越来越慢。
因此，就像光通过增加波长来失去能量一样，物质通过减速来失去能量。乍一看，这些行为似乎非常不同。但有趣的是，量子力学统一了这两者。在物质的量子力学观点中，具有质量的粒子也具有波动性。法国物理学家路易·德布罗意发现，粒子的动量越大，其波长越小，能量越大——他因其发现而获得了 1929 年的诺贝尔奖。
物质粒子可以通过具有高质量或高速度，或两者兼而有之来获得高动量。该特征解释了，例如，为什么棒球在离开投手手套后不会以波动的方式摆动。就量子而言，棒球的质量非常大，并且在职业棒球快速球的典型速度（约为每小时 145 公里）下，棒球的波长为 10
−34 米——这不是击球手需要担心的事情。另一方面，以相同速度运动的电子的波长为 18 微米：仍然很小，但比棒球的波长大 29 个数量级，并且在电子的行为方面非常明显。
当您计算出大质量粒子在经过后退的邻居时会损失多少相对速度时，您会发现粒子的德布罗意波长增加的比例与光子的波长增加的比例完全相同。因此，就膨胀宇宙中的能量损失而言，光和物质的行为似乎完全相同，并且在这两种情况下，能量守恒似乎都受到了违反。在物质的情况下，悖论可以通过以下事实来解释：我们正在不同的参考系中测量速度——即相对于后退的星系。正如我们将要看到的，光子也会发生类似的事情。
创造性的会计
如果宇宙学会计师要验证宇宙是否正在失去能量，他们可能会尝试统计宇宙中的所有能量，而不是一次关注一个物体。他们可能会首先将宇宙中物质质量中包含的所有能量加起来（质量 m 和能量 E 根据爱因斯坦的 E = mc
2 等价，其中 c 代表光速）。然后，他们会将与物质的特殊运动相关的动能加入。在总和中，他们还必须加入光的能量，然后完成计算行星、恒星和星系周围所有引力场中的能量，以及化学键和原子核中包含的能量的复杂工作。（声音和热只是粒子的运动，因此它们已被考虑在内。）
他们将面临的第一个问题是宇宙可能是无限大的，并且包含无限量的物质和能量。因此，会计师需要走捷径。他们会在宇宙的一个区域周围绘制一个假想的膜，并将内部的能量相加。然后，他们将使膜随着宇宙的膨胀而膨胀，以便共动星系保持在膜内。光和物质可以进出膜，但由于宇宙是均匀的，因此离开的量与进入的量相同，因此膜内的量大致保持恒定。我们的会计师知道，整个宇宙可以由一系列这样的体积构成。因此，如果要使宇宙中的能量作为一个整体守恒，那么显示任何一个体积中的能量守恒就足够了。
对于静止的物质——只是放松并顺应膨胀的流动——计算很容易做到。在这种情况下，它的唯一能量来自其质量，并且由于没有物质离开或进入膜，我们知道质量是守恒的。但是，正如我们所见，对于光以及具有特殊速度的物质而言，情况要复杂一些。尽管膜内的光子或物质粒子的数量没有改变，但随着时间的推移，光子能量降低了，具有特殊运动的物质的动能也降低了。因此，膜中的总能量下降了。
如果会计师要计算暗能量，情况会更加复杂，暗能量是导致宇宙加速膨胀的原因。暗能量的性质和属性仍然是一个谜，但似乎暗能量不会随着宇宙膨胀而稀释。因此，随着我们膜中体积的增加，该体积中的能量也随之增加，额外的能量似乎凭空而来！人们可能会认为暗能量的增加可以抵消所有其他形式能量的损失，但事实并非如此。即使我们考虑暗能量，膜内的总能量也不守恒。
我们的会计师如何将这些变化的能量与诺特定理协调起来？事实上，他们很快就会意识到，诺特定理没有理由适用于我们不断变化的宇宙。根据广义相对论，物质和能量会使空间弯曲，并且随着物质和能量的移动（或在膨胀的空间中扩散），空间的形状也会相应地改变。在日常生活中，这些效应实际上太小而无法检测到，但在宇宙尺度上，它们可能具有相关性。
空间的这种可塑性意味着宇宙的行为不是时间对称的。可视化此事实的最简单方法是回到台球的例子。如果我们观看几个特定击球在几何形状不断变化的球桌上进行的电影——例如，一个从平坦开始并随时间扭曲的球桌——每部电影看起来都会与其他电影不同；您可以分辨出每部电影何时以及以什么顺序拍摄。时间对称性将被打破。
我们已经达到了我们珍视的守恒原则的极限：当时间和空间本身是可变的，时间对称性就会丧失，能量守恒不再需要成立。
宇宙语义学
然而，即使曲率没有改变，尝试统计宇宙的能量也是徒劳的：我们会计师的上帝视角不属于宇宙中的任何观察者。特别是，他们没有考虑共动星系相对于彼此运动的能量，因此对他们来说，星系似乎没有动能。另一个问题是与星系相互吸引相关的引力能。广义相对论的一个众所周知的问题是，在该理论中，人们始终无法明确地定义适用于整个宇宙的引力能。
因此，宇宙的总能量既不守恒也不丢失——它只是无法定义的。另一方面，如果我们放弃上帝视角，而是专注于一次一个粒子，我们可以找到许多宇宙学家认为更自然的思考光子从遥远星系传播的方式。在这种解释中，光子毕竟没有失去能量。关键在于，我们膨胀的橡胶气球的比喻虽然有助于可视化膨胀，但应该谨慎对待：空的空间没有物理现实。随着星系彼此远离，我们可以自由地将这种相对运动视为“空间的膨胀”或“在空间中运动”；区别主要在于语义。
宇宙学红移通常被描述为空间膨胀的结果。但在爱因斯坦的广义相对论中，空间是相对的，真正重要的是星系的历史——它在空间时间中描述的轨迹。因此，我们应该通过将其在时空中的轨迹与我们的轨迹进行比较来计算遥远星系相对于我们的相对速度。在星系中看到的红移量与观察者在以相同相对速度后退的汽车中看到的多普勒频移量相同。
发生这种情况是因为在足够小的区域中，宇宙可以很好地近似于平坦时空。但是在平坦时空中，没有引力，也没有波的拉伸，任何红移都必须只是多普勒效应。因此，我们可以将光视为在其轨迹上产生许多微小的多普勒频移。就像在警车的情况下一样——我们甚至不会想到光子正在获得或失去能量——在这里，发射器和观察者的相对运动意味着他们从不同的角度看到光子，而不是光子在途中失去了能量。
因此，最终，光子能量损失没有什么神秘之处：能量是由彼此后退的星系测量的，能量的下降只是视角和相对运动的问题。
尽管如此，当我们试图理解宇宙作为一个整体是否守恒能量时，我们面临着一个基本局限性，因为我们永远无法将一个唯一的值归因于所谓的宇宙能量。
因此，宇宙并没有违反能量守恒定律；相反，它位于该定律的管辖范围之外。