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能量守恒定律是一项绝对定律，然而它似乎与我们每天观察到的事物相悖。火花产生火焰，火焰产生热量——显现出之前不存在的能量。电池产生电力。核弹产生爆炸。然而，每种情况都只是能量形式的转变。即使是看似矛盾的暗能量导致宇宙加速膨胀，我们也会看到，也遵循这条规则。
能量守恒定律，也称为热力学第一定律，指出封闭系统的能量必须保持恒定——在没有外部干扰的情况下，它既不会增加也不会减少。宇宙本身就是一个封闭系统，因此存在的总能量一直是不变的。然而，能量采取的形式却在不断变化。
势能和动能是最基本的两种能量形式，在高中物理课上很常见：引力势能是将巨石推上山坡时储存的能量，准备滚落下来。动能是巨石开始滚动时的运动能量。这两者之和称为机械能。热物体中的热量是其原子和分子运动的机械能。在19世纪，物理学家意识到运动机器产生的热量是机器的总机械能转化为原子的微观机械能。化学能是另一种储存在分子化学键中的势能形式。正是这种能量，储存在你身体的细胞中，使你能够奔跑和跳跃。其他形式的能量包括电磁能或光，以及核能——原子核力中的势能。还有很多其他形式。正如阿尔伯特·爱因斯坦著名的E = mc2所展示的那样，甚至质量也是能量的一种形式。
火是化学能通过化学反应转化为热能和电磁能的过程，该化学反应将燃料（例如木材）中的分子与空气中的氧气结合，生成水和二氧化碳。它以热和光的形式释放能量。电池将化学能转化为电能。核弹将核能转化为热能、电磁能和动能。
随着科学家们更好地理解了能量的形式，他们揭示了能量从一种形式转化为另一种形式的新方法。当物理学家们最初提出量子理论时，他们意识到原子中的电子可以从一个能级跃迁到另一个能级，释放或吸收光。1924年，尼尔斯·玻尔、汉斯·克喇末和约翰·斯莱特提出，这些量子跃迁暂时违反了能量守恒定律。根据物理学家的说法，每次量子跃迁都会释放或吸收能量，只有平均而言能量才是守恒的。
爱因斯坦强烈反对量子力学违背能量守恒定律的观点。事实证明他是对的。几年后，物理学家们完善了量子力学，科学家们理解到，尽管每个电子的能量可能在概率性的迷雾中波动，但在过程的每一刻，电子及其辐射的总能量都保持不变。能量是守恒的。
现代宇宙学在能量守恒方面提出了新的谜题。我们现在知道宇宙正在以越来越快的速度膨胀——被科学家们称之为暗能量的东西所推动。这被认为是每立方厘米真空空间的固有能量。但是，如果宇宙是一个能量有限的封闭系统，那么它如何在不创造额外能量的情况下，产生更多的真空空间，而这些真空空间必然包含更多的固有能量呢？
事实证明，在爱因斯坦的广义相对论中，具有正能量的空间区域实际上会将空间向外推。随着空间的膨胀，它释放出储存的引力势能，这些势能转化为填充新创造体积的固有能量。因此，即使宇宙的膨胀也受能量守恒定律的控制。