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

我們看得越遠(yuǎn)就越接近宇宙大爆炸，最新的類星體紀(jì)錄保持者來自于宇宙只有6.9億年的時(shí)代。這些超遠(yuǎn)的宇宙學(xué)探針還顯示了含有暗物質(zhì)和暗能量的宇宙，但不能解釋能量來自何處。

博科園-科學(xué)科普：當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，宇宙的總能量在增加，這樣時(shí)空結(jié)構(gòu)本身固有的能量就會(huì)保持恒定。這就像為了建造一個(gè)額外的立方千米時(shí)空所需要這個(gè)量子能量，不多不少。這個(gè)能量必須來自某個(gè)地方，在我所知道的一切事物中，能量（包括物質(zhì)通過E = mc2）不可能憑空出現(xiàn)。所以一定有什么東西在給宇宙提供能量使它膨脹，那么它會(huì)停止嗎？真實(shí)的科學(xué)真相比你想象的要麻煩得多。

宇宙的預(yù)期命運(yùn)（前三）都對(duì)應(yīng)著一個(gè)物質(zhì)和能量對(duì)抗初始膨脹率的宇宙。在觀測(cè)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(zhì)和能量。

在的物質(zhì)宇宙中有兩件事是不可分割地聯(lián)系在一起：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(duì)論的基本定律是物質(zhì)告訴空間如何彎曲，而彎曲的空間告訴物質(zhì)如何移動(dòng)，這是真的，但還不完整。影響空間曲率的不僅僅是物質(zhì)，還有能量，它不是簡(jiǎn)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?cè)谂蛎浡孰S時(shí)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(zhì)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(chuàng)造出來，暗能量密度保持不變。

對(duì)于普通物質(zhì)，其能量貢獻(xiàn)實(shí)際上是很直觀的。物質(zhì)是由包含質(zhì)量的粒子組成，即使在宇宙發(fā)生變化的時(shí)候，單個(gè)粒子本身也保持不變。隨著時(shí)間的推移，宇宙體積增大，總物質(zhì)密度下降。密度為質(zhì)量/體積：質(zhì)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(zhì)的，那么當(dāng)物質(zhì)密度下降時(shí)，膨脹率就會(huì)下降。

隨著宇宙的結(jié)構(gòu)膨脹，任何輻射的波長(zhǎng)也會(huì)被拉伸。這導(dǎo)致宇宙能量減少，并使許多在早期自發(fā)發(fā)生的高能過程在以后的更冷的時(shí)代變得不可能。

對(duì)于輻射來說，它有一個(gè)額外的組成部分。當(dāng)然輻射也是由粒子構(gòu)成的，隨著宇宙體積增大，這些粒子的數(shù)量密度就會(huì)像物質(zhì)一樣減少。但是輻射有一個(gè)波長(zhǎng)，這個(gè)波長(zhǎng)會(huì)被膨脹的宇宙拉長(zhǎng)。波長(zhǎng)較長(zhǎng)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(zhì)的宇宙快。但對(duì)于一個(gè)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(dāng)宇宙膨脹時(shí)，能量密度（即單位體積的能量）保持不變。因此一個(gè)充滿暗能量的宇宙將會(huì)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(gè)組成部分，以及它們可能占主導(dǎo)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(jìn)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(xiàn)的部分！隨著時(shí)間的推移，暗能量占主導(dǎo)地位，物質(zhì)仍然是重要的，但輻射可以忽略不計(jì)。在遙遠(yuǎn)的過去，只有輻射才是重要的。

等一下，你可能會(huì)反對(duì)，心想我以為你說宇宙膨脹在加速？這里有一個(gè)非常重要的觀點(diǎn)，沒有得到足夠的重視：當(dāng)涉及到宇宙的膨脹時(shí)，科學(xué)家們談?wù)摿藘杉煌氖虑椤Ｒ粋€(gè)是宇宙的膨脹率，或者說哈勃常數(shù)。它的行為和上面描述的完全一樣：物質(zhì)下降，輻射下降得更快，暗能量漸近為正常數(shù)。但第二件事是，一個(gè)單獨(dú)的星系隨著時(shí)間推移會(huì)以多快的速度從我們身邊退去。

隨著時(shí)間推移，一個(gè)星系離我們?cè)絹碓竭h(yuǎn)。由于膨脹率是每單位距離的速度（例如70公里/Mpc），一個(gè)離得更遠(yuǎn)的星系（比如100 Mpc和10 Mpc）將會(huì)以更快的速度后退（7000公里/秒，而不是700公里/秒）。如果宇宙充滿了物質(zhì)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(shí)間的推移，凈衰退速度將會(huì)下降：宇宙將會(huì)減速膨脹。然而如果宇宙被暗能量所支配，那么隨著時(shí)間的推移，凈衰退速度將會(huì)增加：宇宙正在加速膨脹。今天的宇宙由大約68%的暗能量構(gòu)成。從大約60億年前開始，宇宙開始加速?gòu)臏p速到加速，這是基于宇宙內(nèi)部所有不同事物的平衡。

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

但這是怎么回事？這似乎是一個(gè)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恒定律嗎？這將使您感到煩惱！畢竟，我們認(rèn)為在宇宙中發(fā)生的任何物理過程中，能量都應(yīng)該是守恒的。廣義相對(duì)論是否提供了一種可能的能量守恒？

如果有一個(gè)沒有變化的靜態(tài)時(shí)空，能量守恒定律就會(huì)得到保證。但是如果空間結(jié)構(gòu)隨著你感興趣的物體移動(dòng)而改變，那么在廣義相對(duì)論的法則下就不再有能量守恒定律了。

問題的答案可能是正確的，廣義相對(duì)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(guī)定說能量必須與愛因斯坦的方程相結(jié)合；全局“能量”未被廣義相對(duì)論定義！事實(shí)上可以對(duì)能量何時(shí)守恒做一個(gè)很一般的說明。當(dāng)有粒子在時(shí)空的靜態(tài)背景中相互作用時(shí)，能量是真正守恒的。但是當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)的空間發(fā)生變化時(shí)，這些粒子的總能量是不守恒的。這對(duì)于在膨脹的宇宙中紅移光子來說是正確的，對(duì)于一個(gè)由暗能量主導(dǎo)的宇宙來說也是如此。

但這個(gè)答案雖然嚴(yán)格來說是正確的，但這并不是故事的結(jié)局，我們可以對(duì)空間變化時(shí)的能量給出一個(gè)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(shí)上能量是守恒的，即使在這種看似矛盾的情況下。希望你記住，除了化學(xué)，電，熱，動(dòng)能，勢(shì)能，還有其他的，還有功。在物理學(xué)中，功是當(dāng)對(duì)一個(gè)物體施加一個(gè)力的方向與它移動(dòng)的距離相同，這給系統(tǒng)增加了能量。如果方向相反，就做負(fù)功，這就減少了系統(tǒng)的能量。

一個(gè)好的類比就是對(duì)氣體的思考，如果給這些氣體加熱(增加能量)會(huì)發(fā)生什么？當(dāng)分子獲得能量時(shí)，內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)得更快，這意味著它們加快了速度，然后擴(kuò)散開來，以更快的速度占據(jù)更多的空間。但是，如果加熱一個(gè)容器里的氣體，會(huì)發(fā)生什么呢？分子變熱了，運(yùn)動(dòng)得更快，它們?cè)噲D散開，但在這種情況下，它們經(jīng)常會(huì)撞到容器的壁上，在壁上產(chǎn)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(duì)它做功。

這和膨脹宇宙中發(fā)生的事情非常相似，如果宇宙充滿了輻射(光子)，每個(gè)量子都會(huì)有一個(gè)能量，由波長(zhǎng)決定，當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，光子的波長(zhǎng)就會(huì)被拉長(zhǎng)。當(dāng)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(jìn)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(fù)的，這意味著輻射是相反的。當(dāng)容器的墻壁膨脹時(shí)，它們就在空間的結(jié)構(gòu)上做功。

通常情況下，我們習(xí)慣了事物的膨脹，因?yàn)樗鼈儍?nèi)部有一個(gè)正向(向外)的壓力。關(guān)于暗能量違反直覺的事情是它有一個(gè)相反符號(hào)的壓力，但仍然會(huì)導(dǎo)致空間結(jié)構(gòu)的膨脹。

那么暗能量的能量從何而來？它來自于宇宙膨脹的負(fù)功。1992年卡羅爾、普雷斯和特納寫了一篇論文討論了這個(gè)問題。他們?cè)跁袑懙溃哼@個(gè)“補(bǔ)丁”對(duì)它周圍的環(huán)境做負(fù)功，因?yàn)樗胸?fù)壓。假設(shè)這個(gè)補(bǔ)丁的膨脹是絕熱的，可以把這個(gè)做負(fù)功等同于補(bǔ)丁的質(zhì)量/能量的增加。這樣就可以恢復(fù)暗能量的正確狀態(tài)方程：P=-pc^2，因此與數(shù)學(xué)是一致的。同樣，這并不意味著能量是守恒的，它只是給了我們一個(gè)聰明的方法來看待這個(gè)問題。

有大量的科學(xué)證據(jù)支持膨脹的宇宙和大爆炸景像，包括暗能量。后期加速膨脹并不能嚴(yán)格地限制能量，但其背后的原因也很吸引人。

本文的問題是最深刻的宇宙學(xué)問題之一，以下是兩個(gè)主要的結(jié)論：

1、當(dāng)粒子在一個(gè)不變（靜態(tài)時(shí)空）的時(shí)空中相互作用時(shí)，能量必須是守恒的。當(dāng)時(shí)空發(fā)生變化（動(dòng)態(tài)時(shí)空）時(shí)，守恒定律就不再成立。

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(fù)的，就可以在膨脹的宇宙中能量守恒。這對(duì)于正壓（如光子）和負(fù)壓（如暗能量）都是成立的。

但這種重新定義并不可靠，這僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上的重新定義，我們可以使用強(qiáng)制能量是守恒的。問題的真相是在膨脹（非靜態(tài)時(shí)空）宇宙中能量并不是守恒的。也許在量子引力理論中是守恒的，但是在廣義相對(duì)論中還沒有任何好的方法來定義能量。

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

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