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。
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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。

时空扩展的问题在于，真空本身具有能量，如果空间体积在增加，那么能量也在增加。我们知道时空的能量密度是恒定的，但能量密度是能量与体积的比值。如果体积增加，那么总能量也会增加。这似乎表明在宇宙尺度上，能量并不守恒。

另一个证据是红移的观测。来自遥远星系的光经历了红移，随着宇宙的膨胀，光的波长也在增长。根据马克斯·普朗克的公式E=hν，我们可以将其重写为 E=hc/λ。因此，如果波长变长，能量就会降低。这意味着光子到达我们时的能量比它发射时要低，这似乎违反了能量守恒定律。但实际上，光子的能量取决于观察者。从我们的角度来看，光子在其起源和我们之间不断扩大的时空中失去了能量。

那么，我们知道暗能量在增加，光波失去的能量是否会转化为暗能量，从而整体守恒呢？这个想法的问题在于，即使考虑了宇宙中所有观察到的光，它也无法解释宇宙中暗能量的巨大数量。暗能量几乎占宇宙总能量的70%，而我们能观察到的所有物质和光只占大约5%。光的能量损失只是抵消增加的暗能量所需能量的一小部分。

此外，宇宙膨胀还提出了将宇宙视为孤立系统的主要问题。我们不知道宇宙的真正大小，因此无法定义孤立系统的边界。我们只知道直径约940亿光年的宇宙存在一个事件视界，它标志着我们能够观测到的最远处。处于这个边缘的星系正在以超过光速的速度远离我们，这意味着它们之外的光永远无法到达我们。

这提出了一个问题：如果宇宙之外可能是无限的，那么我们如何将宇宙视为一个孤立系统？如果宇宙是无限的，那么我们无法在其周围设定任何边界，因此宇宙不可能是一个孤立系统。即使宇宙不是无限的，它仍然比我们观察到的940亿光年直径大得多，这使得我们无法确定孤立系统的真正边界。

在考虑宇宙是否是一个孤立系统时，我们还必须考虑从可观测宇宙中移出的星系。随着星系离开我们的可观测范围，它们的能量也随之消失。如果我们只将可观测宇宙视为一个孤立系统，那么我们显然正在失去物质，我们也在失去能量。

一些人认为，在膨胀的宇宙中总能量是守恒的，因为他们认为必须将引力场的能量与物质和辐射的能量一起考虑。随着物体之间距离的增加，它们之间的引力势能增加，可以被视为负能量。他们解释说，当你将两个物体拉开时，你需要消耗能量来克服引力，因此引力势能必须是负能量。这种不断增加的负能量可以完全抵消不断增加的暗能量。然而，与具有恒定能量密度的暗能量不同，宇宙中不存在恒定的引力密度。因此，计算负引力能抵消暗能量的概念实际上是不可能的。

最终，由于广义相对论清楚地指出能量本身是不守恒的，我们可能需要放弃宇宙尺度上能量守恒的想法，即使这个概念在人类尺度上几乎完全有效。在我们的日常生活中，能量守恒定律仍然是一个非常有用的工具，但当我们开始观察非常大的尺度时，它的适用性就会受到挑战。