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物理学不存在了?宇宙竟然没有遵守能量守恒定律?

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相信大家都知道,所谓的能量守恒定律,就是指能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变。



但或许你不知道的是,在宏大的宇宙尺度上,宇宙竟然没有遵守能量守恒定律,这是怎么回事呢?下面我们就来聊一下这个话题。

在宇宙诞生之初,第一批光子开始在空间中穿行,它们承载着极高的能量,频率很高,波长很短。经过了上百亿年的漫长旅途,当这些光子终于抵达地球时,它们已经变成了所谓的“宇宙微波背景辐射”。



然而当我们观测到这些光子的时候,这些光子的能量其实是大幅度“缩水”了的。为什么呢?

因为在这上百亿年里,宇宙空间本身一直在膨胀,这些光子在拉伸的空间里穿行,它们的波长就被空间拉长了,而我们都知道,光子的能量与波长是成反比的,波长越长,能量就越低。

这时候,最关键的问题来了:这些丢失的能量去哪儿了?在牛顿经典力学的框架下,你或许能勉强拼凑出一个解释,但在爱因斯坦的广义相对论里,答案非常干脆:这些能量哪儿也没去,它们就是单纯地消失了。

原因简单来讲就是,空间膨胀并不是一种力在推着光子走,而是光子存在的“背景”变了,这就导致了原本定义的能量也就失去了存在的基石。



除此之外,科学家还发现,宇宙不仅是在膨胀,而且是在加速膨胀。

推动这种加速的力量被称为“暗能量”,它有一个奇怪的特性,那就是其密度是恒定的,这听起来非常违背常理,对吧?

通常我们认为,能量扩散开来,密度应该下降才对,但是暗能量却不是这样,因为它是空间自带的某种属性,随着宇宙膨胀,空间变得越来越多,而每一份新生的空间都自带一份等量的暗能量。

这意味着,宇宙中暗能量的总量正随着空间的膨胀而不断增加,也就是说,这些能量就是凭空产生的,完全来自于空间自身的扩张。



由此可见,在宇宙膨胀的背景下,宇宙并没有遵守能量守恒定律。看到这里,你可能会感到一种深深的困惑:难道说物理学不存在了吗?

其实不然,因为科学家已经找到了合理的解释,这就要提到数学家艾米·诺特提出的那个“诺特定理”,该理论指出,宇宙中每一个守恒定律的背后,其实都对应着一种“对称性”。

简单来讲,对称性就是指某种东西变了,但物理规律却没变。比如说你在北京做一个自由落体实验,得出的重力加速度,其实和你在上海得出的实验结果是一模一样的,这说明物理规律不随空间位置的改变而改变,这就叫“空间平移对称性”。

诺特用数学证明了,只要空间是平移对称的,就必然推导出“动量守恒”。



再比如说,你把实验装置旋转90度,实验结果还是不变,这叫“旋转对称性”,它对应的是“角动量守恒”。这些守恒定律并不是宇宙强加给我们的补丁,而是空间本身具备的简洁美所带来的数学必然。

那么,能量守恒对应的是哪种对称性呢?诺特告诉我们,它对应的是“时间平移对称性”。意思就是说,如果你今天的物理实验结果和昨天、明天、后天甚至1000年后的结果都一样,如果物理定律的“背景环境”不随时间流逝而发生变化,那么能量就必然守恒。

在我们的日常生活中,在地球上的实验室里,甚至在整个太阳系的范围内,时空结构在短时间内几乎是静止不动的,时间对称性保持得非常好,所以能量可以认为是守恒的。

但是,当我们把视线拉到宇宙的宏大尺度时,情况就完全变了。



因为宇宙在膨胀,这意味着今天的宇宙和昨天的宇宙在几何结构上是不一样的,并且变化幅度非常大,现在的空间比一秒钟前更空旷,星系间的距离更远,由于背景环境本身就在随时间演化,因此宇宙就在整体上不存在“时间平移对称性”。

既然“时间平移对称性”不存在,那么基于这个前提推导出来的能量守恒定律,当然也就失效了。

总而言之,我们之所以觉得能量守恒,是因为我们人类太渺小了,我们生存的尺度太小,寿命太短,导致我们观察到的时空背景看起来永远是那么的坚固、永恒且不变。

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