當宇宙膨脹引起光的紅移時，能量減少到哪裡去了？

隨著宇宙的膨脹，遙遠的星系正在遠離我們，它們的光線發生紅移，能量減少。

這似乎違反了能量守恆原理，但實際上並不違反已知的物理定律。單個光子的能量是守恆的，星系中常見的現象也遵循能量守恆定律。

能量既不能創造也不能消滅。能量守恆這一原則是我們最珍貴的物理定律之一,控制我們生活的方方面面:需要一杯熱咖啡,在樹葉里產生氧的化學反應，地球繞太陽運行的軌道,所需要的食物使我們心臟的跳動。我們的生活離不開食物，汽車離不開汽油，永動機只是幻想。所以，當一個實驗違反能量守恆定律時，我們肯定會認為出了問題。當我們的觀察似乎與最基本的能量守恆科學理論相矛盾時，會發生什麼?

讓我們跳出地球一會兒，想想更廣闊的宇宙。我們關於外層空間的幾乎所有信息都是以光的形式獲得的。根據廣義相對論，光的主要特徵之一是當它從遙遠的星系穿過膨脹的宇宙時，它會被電磁波的拉伸而發生紅移。波長越長，能量越低。所以好奇的人會問:當宇宙膨脹引起光的紅移時，能量減少到哪裡去了?它是否違反了能量守恆定律，無故消失?

現代物理學早就表明，當我們從舒適的日常生活轉向探索時間和空間的意義時，許多基本假設就開始瓦解。從愛因斯坦那裡，我們知道「同時獲勝」是一種錯覺，它會隨著觀察者的位置而改變，而距離和時間是相對的。現在我們也懷疑看似連續的時間和空間，就像物質表面的光滑，只是一種掩蓋的幻覺。在物理學中我們真正能相信什麼概念?我們還相信哪些原則，它們也是阻礙我們達到更深層次真理的欺騙?物理學家們每天都在挑戰已知的現象，試圖弄清楚這些問題是由於我們缺乏知識還是僅僅是誤解。從歷史上看，誤解的「殘骸」隨處可見，但能量守恆呢?這也是一個誤導人的概念嗎?

不,不是。對於單個光子，能量總是守恆的，即使光是紅移的。同樣地，在我們的星系中發生違反能量守恆的現象幾乎是不可能的，我們所珍視的定律仍然完好無損。但在宇宙尺度上，能量確實是一個微妙的概念，從這裡開始，事情變得有趣起來。

經驗不僅證明了能量守恆，而且科學家們有更好的理由相信它。我們的信心來自德國數學家艾米·諾特，她在近100年前發現，所有守恆定律都來自於自然界的對稱性，從那以後，能量守恆就有了堅實的基礎。

通常，對稱，就像你在鏡子里看到的，呈現出反射或旋轉。一個規則三角形是對稱的，因為當你把它從一邊翻轉或者旋轉三分之一，你會得到完全相同的形狀。正方形也是對稱的，所以你只需要將它們旋轉四分之一圈就可以得到完全相同的形狀。圓是最對稱的二維物體，因為無論旋轉多少角度，翻轉多少軸，它的形狀都是不變的，這就是所謂的連續對稱。

同樣，物理定律也是對稱的。時間的流逝不會改變自然規律。如果你再做一次實驗，結果是一樣的。這個性質叫做時間的對稱性。此外，自然法則不會因你所處的位置而改變，所以我們有空間的對稱性。自然法則也不會因為你看待它的不同而改變。這是旋轉對稱。 你所站的位置，你所處的時間，以及你的視覺方向都會影響你所看到的場景，但是決定場景如何變化的基本物理定律與你的位置，方向和時間無關。物理定律就像一個圓。當它在任何情況下保持不變時，我們說它是連續對稱的。

諾特爾發現，當自然界呈現出連續的對稱性時，它就會遵循能量守恆定律，反之亦然。特別是空間對稱要求動量守恆，旋轉對稱保證角動量守恆，時間對稱意味著能量守恆。

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