宇宙尺度下的能量守恒被打破？

能量守恒定律是一种基本物理定律，它指出在一个孤立系统中，总能量随时间推移保持不变。孤立系统与封闭系统有时容易混淆。在热力学中，孤立系统指的是既不与外界交换能量也不交换物质的系统。例如，一个隔热良好的热水瓶可以近似看作一个孤立系统，尽管在现实中并不存在完美的孤立系统。而封闭系统则允许能量的交换，但不允许物质的交换，如一个带盖的锅或一杯茶可以近似看作封闭系统。

在孤立系统中，总能量都保持不变，能量只会从一种形式转换为另一种形式。例如，当你驾车猛踩刹车时，汽车的动能通过刹车的摩擦转化为热能。这种热能通常感觉不到，因为汽车不是一个孤立系统——热量会散发到大气中。但如果你能将汽车的刹车系统、道路和大气完全隔离，并测量热量，你会发现汽车的动能几乎完美地转化为热能。

那么，这一定律是否适用于整个宇宙呢？宇宙，作为一切存在的总和，是否可以被视为一个终极的孤立系统？答案并不简单。要回答这个问题，我们需要考虑从微观到宏观的所有尺度。

在微观尺度上，物体的行为由量子力学描述，这是一门研究从亚原子粒子乃至更小尺度物体的物理学。在量子层面，能量守恒的概念被严格定义，这在量子力学中最重要的方程之一——薛定谔方程中得到体现。该方程完全基于能量，表明总能量是动能和势能之和。根据薛定谔方程，能量是守恒的。这只是其中一个方程，我们也可以调用其他方程，以证明能量在量子力学中是明确守恒的，所以在微尺度上能量守恒是没有问题的。

在宏观尺度上，描述地球、太阳和星系等大尺度物体的最佳理论是爱因斯坦的广义相对论。广义相对论的核心是爱因斯坦场方程，方程左边描述时空的曲率，右边代表时空所包含的物质和能量。在广义相对论中，物质和能量的分布由能量动量张量描述。从数学上我们可以证明能量动量张量的导数为零，这意味着能量和动量的变化保持为零。

然而，这个等式并不意味着能量本身是守恒的，而是能量和动量的组合是守恒的。广义相对论告诉我们，如果时空是静态的，即平坦且不变的，那么能量是恒定的。但如果时空在弯曲和变化，那么动量也在变化，因此能量也在变化。因此，令人惊讶的是，广义相对论实际上告诉我们，在宇宙尺度上，能量并不守恒。

这一点可以通过几项观察结果来证实，首先是宇宙膨胀的观察。埃德温·哈勃在1929年提供了第一个证据，他发现宇宙正在膨胀。然后，在1990年代后期，科学家们进一步发现宇宙膨胀正在加速，这种加速的原因被称为暗能量。