非静态时空下能量守恒失效了？暗能量的“能量”来自何方？

zyby

如果有一个充满物质的宇宙（无论是原子、暗物质、辐射、中微子还是其他什么东西）几乎不可能让宇宙保持静止。宇宙的结构，至少在广义相对论中，必须在最大的尺度上膨胀或收缩。但是如果有一个充满暗能量的宇宙，就像天文学家观测到的那样，更麻烦的事情发生了：可观测宇宙中包含的总能量随着时间的推移而增加，看不到尽头。这难道不违反能量守恒定律吗？（温馨提示：不想一脸懵逼的进来再一脸懵逼的出去，那就要认真的看完(^^*)）

我们看得越远就越接近宇宙大爆炸，最新的类星体纪录保持者来自于宇宙只有6.9亿年的时代。这些超远的宇宙学探针还显示了含有暗物质和暗能量的宇宙，但不能解释能量来自何处。

博科园-科学科普：当宇宙膨胀时，宇宙的总能量在增加，这样时空结构本身固有的能量就会保持恒定。这就像为了建造一个额外的立方千米时空所需要这个量子能量，不多不少。这个能量必须来自某个地方，在我所知道的一切事物中，能量（包括物质通过E = mc2）不可能凭空出现。所以一定有什么东西在给宇宙提供能量使它膨胀，那么它会停止吗？真实的科学真相比你想象的要麻烦得多。

宇宙的预期命运（前三）都对应着一个物质和能量对抗初始膨胀率的宇宙。在观测到的宇宙中，宇宙的加速是由某种类型的暗能量引起，而这是迄今为止无法解释的。所有这些都受弗来曼方程的约束，所涉及的是宇宙膨胀与在其中存在各种物质和能量。

在的物质宇宙中有两件事是不可分割地联系在一起：宇宙膨胀速度和宇宙中所有不同类型的能量分解。广义相对论的基本定律是物质告诉空间如何弯曲，而弯曲的空间告诉物质如何移动，这是真的，但还不完整。影响空间曲率的不仅仅是物质，还有能量，它不是简单的曲率，也不是空间的膨胀（或收缩）受影响的空间，特别是能量密度决定了膨胀率。但是宇宙中有不同形式的能量，它们在膨胀率随时间变化过程中扮演着不同的角色。

随着膨胀宇宙体积的增大，物质和辐射密度越来越小，暗能量是空间本身固有的一种能量形式。随着新空间在膨胀的宇宙中被创造出来，暗能量密度保持不变。

对于普通物质，其能量贡献实际上是很直观的。物质是由包含质量的粒子组成，即使在宇宙发生变化的时候，单个粒子本身也保持不变。随着时间的推移，宇宙体积增大，总物质密度下降。密度为质量/体积：质量保持不变，体积增大，因此密度下降。如果宇宙中所拥有的一切都是物质的，那么当物质密度下降时，膨胀率就会下降。

随着宇宙的结构膨胀，任何辐射的波长也会被拉伸。这导致宇宙能量减少，并使许多在早期自发发生的高能过程在以后的更冷的时代变得不可能。

对于辐射来说，它有一个额外的组成部分。当然辐射也是由粒子构成的，随着宇宙体积增大，这些粒子的数量密度就会像物质一样减少。但是辐射有一个波长，这个波长会被膨胀的宇宙拉长。波长较长意味着能量较低，所以在充满辐射的宇宙中，膨胀率下降的速度比充满物质的宇宙快。但对于一个充满暗能量的宇宙来说，情况就大不相同了。暗能量是由空间本身固有的能量所引起，当宇宙膨胀时，能量密度（即单位体积的能量）保持不变。因此一个充满暗能量的宇宙将会看到它的膨胀率保持不变，而不是下降。

宇宙能量密度的各个组成部分，以及它们可能占主导地位的因素。如果宇宙弦或畴壁以任何明显的量存在，则它们将显著地促进宇宙的膨胀。甚至可能还有其他不再看到的部分，或者还没有出现的部分！随着时间的推移，暗能量占主导地位，物质仍然是重要的，但辐射可以忽略不计。在遥远的过去，只有辐射才是重要的。

等一下，你可能会反对，心想我以为你说宇宙膨胀在加速？这里有一个非常重要的观点，没有得到足够的重视：当涉及到宇宙的膨胀时，科学家们谈论了两件不同的事情。一个是宇宙的膨胀率，或者说哈勃常数。它的行为和上面描述的完全一样：物质下降，辐射下降得更快，暗能量渐近为正常数。但第二件事是，一个单独的星系随着时间推移会以多快的速度从我们身边退去。

红移如何在膨胀的宇宙中起作用的图解。当一个星系越来越远时必须在不断膨胀宇宙中行进更长的距离和更长的时间。在暗能量占主导地位的宇宙中，这意味着单个星系似乎会在远离我们的衰退中加速。图片：LARRY MCNISH OF RASC CALGARY CENTER, VIA

随着时间推移，一个星系离我们越来越远。由于膨胀率是每单位距离的速度（例如70公里/Mpc），一个离得更远的星系（比如100 Mpc和10 Mpc）将会以更快的速度后退（7000公里/秒，而不是700公里/秒）。如果宇宙充满了物质或辐射，膨胀率下降的速度比星系的距离增加得快，所以随着时间的推移，净衰退速度将会下降：宇宙将会减速膨胀。然而如果宇宙被暗能量所支配，那么随着时间的推移，净衰退速度将会增加：宇宙正在加速膨胀。今天的宇宙由大约68%的暗能量构成。从大约60亿年前开始，宇宙开始加速从减速到加速，这是基于宇宙内部所有不同事物的平衡。

在过去的不同时期，不同能量成分在宇宙中的相对重要性。注意：当暗能量在未来接近100%时，宇宙的能量密度（因此，胀率）将会在时间上任意地保持不变。

但这是怎么回事？这似乎是一个充满暗能量的宇宙不保存能量。如果能量密度（每单位体积的能量）保持不变，但是宇宙的体积在增加，这难道不意味着宇宙中总能量在增加吗？这难道不违反能量守恒定律吗？这将使您感到烦恼！毕竟，我们认为在宇宙中发生的任何物理过程中，能量都应该是守恒的。广义相对论是否提供了一种可能的能量守恒？

如果有一个没有变化的静态时空，能量守恒定律就会得到保证。但是如果空间结构随着你感兴趣的物体移动而改变，那么在广义相对论的法则下就不再有能量守恒定律了。

问题的答案可能是正确的，广义相对论中有大量的能够精确地定义，而能量不是其中之一。换句话说没有规定说能量必须与爱因斯坦的方程相结合；全局“能量”未被广义相对论定义！事实上可以对能量何时守恒做一个很一般的说明。当有粒子在时空的静态背景中相互作用时，能量是真正守恒的。但是当粒子运动的空间发生变化时，这些粒子的总能量是不守恒的。这对于在膨胀的宇宙中红移光子来说是正确的，对于一个由暗能量主导的宇宙来说也是如此。

但这个答案虽然严格来说是正确的，但这并不是故事的结局，我们可以对空间变化时的能量给出一个新定义。有一种非常聪明的方式来看待“能量”，它可以让我们证明，事实上能量是守恒的，即使在这种看似矛盾的情况下。希望你记住，除了化学，电，热，动能，势能，还有其他的，还有功。在物理学中，功是当对一个物体施加一个力的方向与它移动的距离相同，这给系统增加了能量。如果方向相反，就做负功，这就减少了系统的能量。

当单个分子或原子在一个封闭的容器内运动时会对容器壁施加一个向外的压力。当加热气体时，分子运动得更快，压强增加。Wikimedia commons user Greg L (A. Greg)

一个好的类比就是对气体的思考，如果给这些气体加热(增加能量)会发生什么？当分子获得能量时，内部的分子运动得更快，这意味着它们加快了速度，然后扩散开来，以更快的速度占据更多的空间。但是，如果加热一个容器里的气体，会发生什么呢？分子变热了，运动得更快，它们试图散开，但在这种情况下，它们经常会撞到容器的壁上，在壁上产生额外的正压力。容器的壁被向外推，这就消耗了能量：分子对它做功。

增加容器内气体温度的影响，向外的压力会导致体积的增加，内部分子在容器壁上做功。图片：BEN BORLAND'S (BENNY B'S) SCIENCE BLOG

这和膨胀宇宙中发生的事情非常相似，如果宇宙充满了辐射(光子)，每个量子都会有一个能量，由波长决定，当宇宙膨胀时，光子的波长就会被拉长。当然，光子正在失去能量，但所有东西都是在宇宙本身的压力下进行。相反，如果宇宙充满暗能量，它也不仅有能量密度，而且还有压力。然而最大的不同是，来自暗能量的压力是负的，这意味着辐射是相反的。当容器的墙壁膨胀时，它们就在空间的结构上做功。

通常情况下，我们习惯了事物的膨胀，因为它们内部有一个正向(向外)的压力。关于暗能量违反直觉的事情是它有一个相反符号的压力，但仍然会导致空间结构的膨胀。

那么暗能量的能量从何而来？它来自于宇宙膨胀的负功。1992年卡罗尔、普雷斯和特纳写了一篇论文讨论了这个问题。他们在书中写道：这个“补丁”对它周围的环境做负功，因为它有负压。假设这个补丁的膨胀是绝热的，可以把这个做负功等同于补丁的质量/能量的增加。这样就可以恢复暗能量的正确状态方程：P=-pc^2，因此与数学是一致的。同样，这并不意味着能量是守恒的，它只是给了我们一个聪明的方法来看待这个问题。

有大量的科学证据支持膨胀的宇宙和大爆炸景像，包括暗能量。后期加速膨胀并不能严格地限制能量，但其背后的原因也很吸引人。

本文的问题是最深刻的宇宙学问题之一，以下是两个主要的结论：

1、当粒子在一个不变（静态时空）的时空中相互作用时，能量必须是守恒的。当时空发生变化（动态时空）时，守恒定律就不再成立。

2、如果将能量重新定义为包括在它周围一小块空间所做的功，无论是正的还是负的，就可以在膨胀的宇宙中能量守恒。这对于正压（如光子）和负压（如暗能量）都是成立的。

但这种重新定义并不可靠，这仅仅是一个数学上的重新定义，我们可以使用强制能量是守恒的。问题的真相是在膨胀（非静态时空）宇宙中能量并不是守恒的。也许在量子引力理论中是守恒的，但是在广义相对论中还没有任何好的方法来定义能量。

博科园-科学科普｜文：Ethan Siegel（天体物理学家）/Forbes Science/S.W.A.B

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本文选自：今日头条