能量既不能被创造出来,也不能被毁灭。这个能量守恒原理,是我们最宝贵的物理定律之一,它支配了我们生活中的每一个环节:煮一杯咖啡所需的热、在树叶里产生氧的化学反应、地球绕行太阳的轨道、维系我们心脏跳动所需的食物。我们无法不进食而活着,汽车缺了汽油就无法发动,永动机只是个幻想。所以,当某个实验违反了能量守恒定律,我们当然会觉得事有蹊跷。当我们的观测似乎与能量守恒这个科学上最基本的理论相违背时,会发生什么事情?让我们暂时跳脱地球,考虑更宽广的 宇宙。我们对于外层空间的信息,几乎都是以光的形式取得。根据广义相对论,光的主要特性之一,便是当它从遥远的星系穿越不断膨胀的宇宙时,会因为电磁波被拉伸而发生红移,波长越长,能量就越低。因此,好奇宝宝就会问道:当宇宙膨胀导致光发生红移时,减少的能量到哪儿去了?它是否违反了能量守恒的原理,无端消失了? 现代物理学早已显示,当我们远离舒适的日常生活去深究时间与空间的意义时,许多基本假设便会开始崩毁。从爱因斯坦那儿,我们知道“同时性”是会随着观测者的地点而变化的幻象,此外,距离与时间的间隔也是相对的。现在我们也怀疑,看似连续的时间与空间,就像物质平滑的外表,只是掩人耳目的假象。在物理学中,究竟有什么概念是我们可以真正信赖的?还有哪些我们深信不疑的原理也是一场骗局,阻碍我们通往更深层的真理?物理学家竟日挑战已知的现象,殚精竭虑地想辨明那些问题究竟是因为我们的知识不足,或只是单纯的误解。历史上到处可见错误观念的残骸,而能量守恒呢?它也是一个误导人心的概念吗? 非也。就单一光子而言,能量一直是守恒的,即使光被红移了也一样。同样的,对于发生在我们星系内的现象而言,违反能量守恒是几乎不可能的,我们珍视的定律仍然屹立不动。但在宇宙学的尺度中,能量的确是个微妙的概念,而事情也是从这里开始变得有趣。 能量守恒不仅从经验上得到许多证实,科学家还有更好的理由愿意相信它。我们的信心来自德国数学家埃米·诺特尔,她在将近100年前发现,所有的守恒定律都来自大自然的对称性,此后能量守恒便拥有了坚实的基础。 通常,对称性就像你在镜中看到的事物,会呈现出某种反射或旋转的景象。正三角形是对称的,因为当你从侧边翻转它,或把它旋转1/3圈,你会得到完全相同的形状。正方形也具有对称性,你只需把它旋转1/4圈便可得到完全相同的形状。圆是最具对称性的二维物体,因为不管你旋转多少角度,或以任意一条穿过圆心的线为轴进行翻转,它的外形都保持不变,可展现出所谓的连续对称性。 同样,物理定律也是对称的。时间的流动并不会改变自然定律,若你不断重复一个实验,结果会是一样的。这一特性被称为时间的对称性。此外,自然定律并不因你所在的位置而改变,因此我们拥有空间的对称性。自然定律也不会因为你观看的角度不同而改变,这是旋转对称性。诚然,你所站的位置、所处的时刻以及你的视线方向,都会影响到你看到的景物,但决定景物如何变化的基本物理定律,则与你的位置、方向和时间无关。物理定律就像圆一样,当它在任何情况下都保持不变时,我们就说它具有连续对称性。 诺特尔发现,当大自然展现出连续对称性时,就会伴随着能量守恒定律;反之亦然。特别是空间对称性要求动量一定得守恒,旋转对称性则保证角动量守恒,而时间对称性则意指能量必然守恒
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