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；地球绕太阳运行的轨道；我们需要食物来维持心脏跳动。我们离不开食物，汽车没有燃料就无法行驶，永动机只是海市蜃楼。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界最根深蒂固的观念之一——能量始终守恒——相矛盾时，会发生什么？
暂时跳出我们地球的范围，考虑一下更广阔的宇宙。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，当它从遥远的星系穿过我们不断膨胀的宇宙时，会发生红移——它的电磁波会被拉伸，这符合阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。但是，波长越长，能量越低。因此，求知欲强的人会问：当光线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，从而违反了守恒原理？
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情况时，我们的许多基本假设开始瓦解。我们从爱因斯坦那里了解到，同时性是一种幻觉，它会随着观察者的角度而变化，而距离和持续时间的观念也是相对的。我们现在也怀疑，时间和空间表面上的连续性可能与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？我们根深蒂固的原则中，有哪些是在蒙蔽我们的双眼，让我们看不到更深层次的真相？我们物理学家每天都在挑战已知的知识，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碎片。能量守恒是否也是那些被误导的想法之一？
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事能够继续流传下去。
并非如此。在单个光子的尺度上，能量始终守恒，即使光发生红移也是如此。同样，对于我们星系内发生的现象，几乎不可能发生违规行为，我们珍视的定律仍然建立在坚实的基础上。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。我们的信心来自德国数学家埃米·诺特，她在大约100年前发现了所有守恒定律都基于自然的对称性，从而将能量守恒置于稳固的基础之上。
通常，你认为对称性是你在镜子中看到的东西，某种反射或旋转。等边三角形是对称的，因为你可以侧向翻转它，或者将其旋转三分之一圈，最终得到的形状完全相同。正方形也具有对称性，但你只需要将其旋转四分之一圈就能找到相同的构型。在二维物体中，最对称的是圆形，因为你可以将其旋转任意角度，并将其绕过其中心的任何轴线反射，它仍然完全相同——它显示出所谓的连续对称性。
物理定律也可能具有对称性。时间的流逝不会改变自然规律；如果你多次重复一个实验——例如，让台球以给定的角度碰撞——结果总是相同的。这种性质被称为时间对称性。自然规律不会因你身处何处而改变——因此我们具有空间对称性。自然规律也不会因你观察的方向而改变（旋转对称性）。当然，风景可能会因你所处的位置、你所处的时间以及你观察的方向而改变，但支配风景如何表现的基本潜在物理定律独立于你的位置、方向和时间。当一个定律在任何情况下都保持不变时，就像圆形一样，它被称为是连续对称的。
诺特发现，每当自然界表现出连续对称性时，就会伴随着一条守恒定律，反之亦然。特别是，空间对称性决定了动量守恒；旋转对称性确保了角动量守恒；而时间对称性意味着能量守恒。
因此，说能量守恒就像说物理定律现在与过去和未来都相同一样可靠。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，这正是能量守恒可能在爱因斯坦的宇宙中开始遇到麻烦的地方。
顺流而下
要测试现在是否与过去相符，从而查看宇宙中能量是否守恒，没有比通过天文学家的望远镜观看过去的完整实时活动更好的方法了。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，看到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的望远镜的镜子。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，与同种原子在家中发射的波长相比，似乎都被拉伸了——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，每当当天文学家无法更直接地测量星系的距离时，他们就会使用红移作为代理来估算距离。
红移（和蓝移）在我们地球上也时常发生。想象一下开车经过警察的雷达。当你的汽车靠近时，来自雷达的电磁波在你到达时看起来会略微缩小——如果你能看到它们的话。但在你经过后，波看起来会稍微拉伸。这就是多普勒效应：它是你会在警报器经过时听到的声音音调发生变化的电磁等价物。（警察可以通过测量雷达反射中的多普勒频移来判断你是否超速。）虽然在这种情况下，波不在可见光谱中，但物理学家仍然将波的拉伸和缩小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。在这种情况下，光子不会损失或获得能量；它们只是对你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，它所传播的空间本身就像膨胀的橡胶气球的表面一样被拉伸。
事实上，即使在看起来根本没有相对运动的情况下，也可能发生宇宙学红移，正如以下思想实验所示。想象一个遥远的星系，但通过一根长绳索与我们的星系相连。相对于我们来说，这个星系并没有移动，即使它附近的其它星系正在远离我们。然而，标准计算表明，从这个被拴住的星系到达我们的光仍然会发生红移（尽管不如附近星系的光那么强烈，因为附近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，在膨胀的宇宙中传播的光子似乎会损失能量。那么物质呢？物质也会损失能量吗？当我们描述宇宙中物质的运动时，我们会区分两种不同的类型。一个物体可能只是随着宇宙膨胀的总体流动而退行，就像我们气球上绘制的点会随着气球膨胀而彼此远离一样。在宇宙学中，这样的物体被称为共动物体。但是，一个物体也可能在宇宙膨胀引起的运动之上具有自身的运动。第二种类型被称为本动，当某些东西因局部效应（例如附近星系的引力或火箭的推力）而从平稳的膨胀流中被拖出来时，就会发生本动。
星系本身总是至少有一点本动，但对于遥远的星系（它们的退行速度比附近的星系快），本动速度与它们的退行速度相比很小。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，星系基本上是共动的。它们可以被视为气球上的点，即空间膨胀结构的标志杆。
共动参考系（例如由星系定义的共动参考系）非常方便：例如，它给出了一个普遍的时间约定，以便每个共动星系中的每个人都会就大爆炸发生在多久之前达成一致。
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样的标志杆星系。但是，由于宇宙正在膨胀，标志杆彼此远离，我们的旅行者相对于他或她经过的每个后续星系，似乎都在越来越慢地移动。因此，旅行者似乎在减速。
因此，正如光通过波长增加而损失能量一样，物质通过减速而损失能量。乍一看，这些行为似乎非常不同。但是，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状特性。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——他因这一发现而获得了1929年诺贝尔物理学奖。
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。例如，这解释了为什么棒球在离开投手的手套后，不会以波浪状运动的形式摆动。就量子而言，棒球非常重，在职业棒球快速投球的典型速度（约每小时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。
当你计算出有质量的粒子在经过退行的邻居时损失的相对速度时，你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，光和物质的表现似乎完全相同，而且在这两种情况下，能量守恒似乎都受到了违反。在物质的情况下，悖论的解释是，我们是在不同的参考系中测量速度——即相对于退行的星系而言。正如我们将要看到的，光子也发生了类似的事情。
创造性会计
如果宇宙学的会计师要验证宇宙是否正在损失能量，他们可能会尝试计算宇宙中的所有能量，而不是一次只关注一个物体。他们可能会首先将宇宙中所有物质的质量所包含的能量加起来（质量m和能量E是等价的，根据爱因斯坦的E = mc2，其中c代表光速）。然后他们会加上与物质本动相关的动能。在总和中，他们将不得不加上光的能量，然后开始复杂的工作，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。（声音和热量只是粒子的运动，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。他们会在宇宙的某个区域周围画一个假想的膜，并将内部的能量加起来。然后，他们会让膜随着宇宙一起膨胀，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，进出的量相同，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，如果要使宇宙作为一个整体的能量守恒，就足以证明任何一个体积中的能量都是守恒的。
对于静止的物质来说，计算很容易完成——只是放松一下，顺应膨胀的流动。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，对于光和具有本动速度的物质来说，事情变得有点复杂。虽然膜内的光子或物质粒子的数量没有变化，但随着时间的推移，光子能量降低了，本动物质的动能也降低了。因此，膜内的总能量下降了。
如果会计师要计算暗能量，情况会更加复杂，因为暗能量正是导致宇宙膨胀加速的原因。暗能量的性质和属性仍然是一个完全的谜，但暗能量似乎不会随着宇宙膨胀而稀释。因此，随着我们膜内的体积增加，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，暗能量的增加可以平衡所有其它形式能量的损失，但事实并非如此。即使我们考虑了暗能量，膜内的总能量也不守恒。
我们的会计师如何调和这些变化的能量与诺特定理呢？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，物质和能量会弯曲空间，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变化。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。可视化这一事实的最简单方法是回到台球的例子。如果我们观看几个在几何形状不断变化的球桌上进行的特定击球的电影——例如，一个球桌开始是平坦的，然后随着时间推移而扭曲——每部电影看起来都会与其它电影不同；你可以分辨出每部电影是在何时以及以什么顺序拍摄的。时间对称性将被打破。
我们已经达到了我们珍视的守恒原理的极限：当时间和空间本身是可变的时，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，即使曲率没有变化，尝试计算宇宙的能量也是徒劳的：我们会计师的上帝视角不适用于宇宙中的任何观察者。特别是，他们没有考虑到共动星系彼此之间的运动能量，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损失——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旅程的方式。在这种解释中，光子根本没有损失能量。关键是，我们膨胀的橡胶气球的比喻虽然有助于可视化膨胀，但应该有所保留地对待：空的空间不具有物理现实。当星系彼此远离时，我们可以自由地将这种相对运动视为“空间膨胀”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——它在时空中描述的轨迹。因此，我们应该通过比较遥远星系在时空中的轨迹和我们的轨迹来计算它相对于我们的相对速度。结果表明，在星系中看到的红移量与观察者在以相同相对速度退行的汽车中看到的多普勒频移量相同。
这种情况发生的原因是，在足够小的区域中，宇宙对平坦时空做出了很好的近似。但在平坦时空中，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，我们可以认为光沿着其轨迹产生了许多微小的多普勒频移。就像在警车的情况下——我们甚至不会想到光子正在获得或损失能量——在这里，发射器和观察者的相对运动也意味着他们从不同的角度看待光子，而不是光子在途中损失了能量。
因此，归根结底，光子的能量损失没有什么神秘之处：能量是由彼此退行的星系测量的，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，我们面临着一个根本的局限性，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。