宇宙中暗能量密度不变而宇宙一直在膨胀，能量守恒失效了吗？

一条龙

暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。

?暗能量密度不变违反能量守恒定律吗

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？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？

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。

暗能量密度不变违反能量守恒定律吗

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。

暗能量密度不变违反能量守恒定律吗

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。

暗能量密度不变违反能量守恒定律吗

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。

暗能量的能量从何而来

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。

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。

本文选自：今日头条