非靜態時空下能量守恆失效了？暗能量的「能量」來自哪裡？

如果有一個充滿物質的宇宙（無論是原子、暗物質、輻射、中微子還是其他什麼東西）幾乎不可能讓宇宙保持靜止。宇宙的結構，至少在廣義相對論中，必須在最大的尺度上膨脹或收縮。但是如果有一個充滿暗能量的宇宙，就像天文學家觀測到的那樣，更麻煩的事情發生了：可觀測宇宙中包含的總能量隨著時間的推移而增加，看不到盡頭。這難道不違反能量守恆定律嗎？（溫馨提示：不想一臉懵逼的進來再一臉懵逼的出去，那就要認真的看完(^^*)）

我們看得越遠就越接近宇宙大爆炸，最新的類星體紀錄保持者來自於宇宙只有6.9億年的時代。這些超遠的宇宙學探針還顯示了含有暗物質和暗能量的宇宙，但不能解釋能量來自何處。

博科園-科學科普：當宇宙膨脹時，宇宙的總能量在增加，這樣時空結構本身固有的能量就會保持恆定。這就像為了建造一個額外的立方千米時空所需要這個量子能量，不多不少。這個能量必須來自某個地方，在我所知道的一切事物中，能量（包括物質通過E = mc2）不可能憑空出現。所以一定有什麼東西在給宇宙提供能量使它膨脹，那麼它會停止嗎？真實的科學真相比你想像的要麻煩得多。

宇宙的預期命運（前三）都對應著一個物質和能量對抗初始膨脹率的宇宙。在觀測到的宇宙中，宇宙的加速是由某種類型的暗能量引起，而這是迄今為止無法解釋的。所有這些都受弗來曼方程的約束，所涉及的是宇宙膨脹與在其中存在各種物質和能量。

在的物質宇宙中有兩件事是不可分割地聯繫在一起：宇宙膨脹速度和宇宙中所有不同類型的能量分解。廣義相對論的基本定律是物質告訴空間如何彎曲，而彎曲的空間告訴物質如何移動，這是真的，但還不完整。影響空間曲率的不僅僅是物質，還有能量，它不是簡單的曲率，也不是空間的膨脹（或收縮）受影響的空間，特別是能量密度決定了膨脹率。但是宇宙中有不同形式的能量，它們在膨脹率隨時間變化過程中扮演著不同的角色。

隨著膨脹宇宙體積的增大，物質和輻射密度越來越小，暗能量是空間本身固有的一種能量形式。隨著新空間在膨脹的宇宙中被創造出來，暗能量密度保持不變。

對於普通物質，其能量貢獻實際上是很直觀的。物質是由包含質量的粒子組成，即使在宇宙發生變化的時候，單個粒子本身也保持不變。隨著時間的推移，宇宙體積增大，總物質密度下降。密度為質量/體積：質量保持不變，體積增大，因此密度下降。如果宇宙中所擁有的一切都是物質的，那麼當物質密度下降時，膨脹率就會下降。

隨著宇宙的結構膨脹，任何輻射的波長也會被拉伸。這導致宇宙能量減少，並使許多在早期自發發生的高能過程在以後的更冷的時代變得不可能。

對於輻射來說，它有一個額外的組成部分。當然輻射也是由粒子構成的，隨著宇宙體積增大，這些粒子的數量密度就會像物質一樣減少。但是輻射有一個波長，這個波長會被膨脹的宇宙拉長。波長較長意味著能量較低，所以在充滿輻射的宇宙中，膨脹率下降的速度比充滿物質的宇宙快。但對於一個充滿暗能量的宇宙來說，情況就大不相同了。暗能量是由空間本身固有的能量所引起，當宇宙膨脹時，能量密度（即單位體積的能量）保持不變。因此一個充滿暗能量的宇宙將會看到它的膨脹率保持不變，而不是下降。

宇宙能量密度的各個組成部分，以及它們可能佔主導地位的因素。如果宇宙弦或疇壁以任何明顯的量存在，則它們將顯著地促進宇宙的膨脹。甚至可能還有其他不再看到的部分，或者還沒有出現的部分！隨著時間的推移，暗能量佔主導地位，物質仍然是重要的，但輻射可以忽略不計。在遙遠的過去，只有輻射才是重要的。

等一下，你可能會反對，心想我以為你說宇宙膨脹在加速？這裡有一個非常重要的觀點，沒有得到足夠的重視：當涉及到宇宙的膨脹時，科學家們談論了兩件不同的事情。一個是宇宙的膨脹率，或者說哈勃常數。它的行為和上面描述的完全一樣：物質下降，輻射下降得更快，暗能量漸近為正常數。但第二件事是，一個單獨的星系隨著時間推移會以多快的速度從我們身邊退去。

紅移如何在膨脹的宇宙中起作用的圖解。當一個星系越來越遠時必須在不斷膨脹宇宙中行進更長的距離和更長的時間。在暗能量佔主導地位的宇宙中，這意味著單個星系似乎會在遠離我們的衰退中加速。圖片：LARRY MCNISH OF RASC CALGARY CENTER, VIA

隨著時間推移，一個星系離我們越來越遠。由於膨脹率是每單位距離的速度（例如70公里/Mpc），一個離得更遠的星系（比如100 Mpc和10 Mpc）將會以更快的速度後退（7000公里/秒，而不是700公里/秒）。如果宇宙充滿了物質或輻射，膨脹率下降的速度比星系的距離增加得快，所以隨著時間的推移，凈衰退速度將會下降：宇宙將會減速膨脹。然而如果宇宙被暗能量所支配，那麼隨著時間的推移，凈衰退速度將會增加：宇宙正在加速膨脹。今天的宇宙由大約68%的暗能量構成。從大約60億年前開始，宇宙開始加速從減速到加速，這是基於宇宙內部所有不同事物的平衡。

在過去的不同時期，不同能量成分在宇宙中的相對重要性。注意：當暗能量在未來接近100%時，宇宙的能量密度（因此，脹率）將會在時間上任意地保持不變。

但這是怎麼回事？這似乎是一個充滿暗能量的宇宙不保存能量。如果能量密度（每單位體積的能量）保持不變，但是宇宙的體積在增加，這難道不意味著宇宙中總能量在增加嗎？這難道不違反能量守恆定律嗎？這將使您感到煩惱！畢竟，我們認為在宇宙中發生的任何物理過程中，能量都應該是守恆的。廣義相對論是否提供了一種可能的能量守恆？

如果有一個沒有變化的靜態時空，能量守恆定律就會得到保證。但是如果空間結構隨著你感興趣的物體移動而改變，那麼在廣義相對論的法則下就不再有能量守恆定律了。

問題的答案可能是正確的，廣義相對論中有大量的能夠精確地定義，而能量不是其中之一。換句話說沒有規定說能量必須與愛因斯坦的方程相結合；全局「能量」未被廣義相對論定義！事實上可以對能量何時守恆做一個很一般的說明。當有粒子在時空的靜態背景中相互作用時，能量是真正守恆的。但是當粒子運動的空間發生變化時，這些粒子的總能量是不守恆的。這對於在膨脹的宇宙中紅移光子來說是正確的，對於一個由暗能量主導的宇宙來說也是如此。

但這個答案雖然嚴格來說是正確的，但這並不是故事的結局，我們可以對空間變化時的能量給出一個新定義。有一種非常聰明的方式來看待「能量」，它可以讓我們證明，事實上能量是守恆的，即使在這種看似矛盾的情況下。希望你記住，除了化學，電，熱，動能，勢能，還有其他的，還有功。在物理學中，功是當對一個物體施加一個力的方向與它移動的距離相同，這給系統增加了能量。如果方向相反，就做負功，這就減少了系統的能量。

當單個分子或原子在一個封閉的容器內運動時會對容器壁施加一個向外的壓力。當加熱氣體時，分子運動得更快，壓強增加。Wikimedia commons user Greg L (A. Greg)

一個好的類比就是對氣體的思考，如果給這些氣體加熱(增加能量)會發生什麼？當分子獲得能量時，內部的分子運動得更快，這意味著它們加快了速度，然後擴散開來，以更快的速度佔據更多的空間。但是，如果加熱一個容器里的氣體，會發生什麼呢？分子變熱了，運動得更快，它們試圖散開，但在這種情況下，它們經常會撞到容器的壁上，在壁上產生額外的正壓力。容器的壁被向外推，這就消耗了能量：分子對它做功。

增加容器內氣體溫度的影響，向外的壓力會導致體積的增加，內部分子在容器壁上做功。圖片：BEN BORLAND"S (BENNY B"S) SCIENCE BLOG

這和膨脹宇宙中發生的事情非常相似，如果宇宙充滿了輻射(光子)，每個量子都會有一個能量，由波長決定，當宇宙膨脹時，光子的波長就會被拉長。當然，光子正在失去能量，但所有東西都是在宇宙本身的壓力下進行。相反，如果宇宙充滿暗能量，它也不僅有能量密度，而且還有壓力。然而最大的不同是，來自暗能量的壓力是負的，這意味著輻射是相反的。當容器的牆壁膨脹時，它們就在空間的結構上做功。

通常情況下，我們習慣了事物的膨脹，因為它們內部有一個正向(向外)的壓力。關於暗能量違反直覺的事情是它有一個相反符號的壓力，但仍然會導致空間結構的膨脹。

那麼暗能量的能量從何而來？它來自於宇宙膨脹的負功。1992年卡羅爾、普雷斯和特納寫了一篇論文討論了這個問題。他們在書中寫道：這個「補丁」對它周圍的環境做負功，因為它有負壓。假設這個補丁的膨脹是絕熱的，可以把這個做負功等同於補丁的質量/能量的增加。這樣就可以恢復暗能量的正確狀態方程：P=-pc^2，因此與數學是一致的。同樣，這並不意味著能量是守恆的，它只是給了我們一個聰明的方法來看待這個問題。

有大量的科學證據支持膨脹的宇宙和大爆炸景像，包括暗能量。後期加速膨脹並不能嚴格地限制能量，但其背後的原因也很吸引人。

本文的問題是最深刻的宇宙學問題之一，以下是兩個主要的結論：

1、當粒子在一個不變（靜態時空）的時空中相互作用時，能量必須是守恆的。當時空發生變化（動態時空）時，守恆定律就不再成立。

2、如果將能量重新定義為包括在它周圍一小塊空間所做的功，無論是正的還是負的，就可以在膨脹的宇宙中能量守恆。這對於正壓（如光子）和負壓（如暗能量）都是成立的。

但這種重新定義並不可靠，這僅僅是一個數學上的重新定義，我們可以使用強制能量是守恆的。問題的真相是在膨脹（非靜態時空）宇宙中能量並不是守恆的。也許在量子引力理論中是守恆的，但是在廣義相對論中還沒有任何好的方法來定義能量。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel（天體物理學家）/Forbes Science/S.W.A.B

博科園-傳遞宇宙科學之美

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