如果能量守恒那宇宙膨胀时光子损失的能量去了何处

发布时间：2023-09-18 11:30:13 所属栏目：外闻来源：转载

导读： 　　“在所有的化学反应中，不会发生物质质量损失；在所有物理变化中，没有能量损失。”——亨利·恩菲尔德·罗斯科爵士

　　我们所处的这个宇宙之

　　“在所有的化学反应中，不会发生物质质量损失；在所有物理变化中，没有能量损失。”——亨利·恩菲尔德·罗斯科爵士

　　我们所处的这个宇宙之中存在着一道不变的准则——那就是能量的平衡法则；换言之就是，不管是何种形式的能量都无法自发产生或是神秘消失；而必得在两种不同形态间进行转化和变换。例如，我们生活的地球上的主要能源来自太阳光，而太阳光的产生是太阳核心每秒消耗400万吨质量进行核聚变释放的能量。这种能量的一部分以光子的形式到达地球，为我们提供了生存所必需的光和热。

　　除了太阳能，我们的生活也离不开化学能，化学能是我们人类生产生活的主要能源，但无论能量如何产生和消耗，能量在传输过程中都是守恒的。但如果你经常看宇宙学的科普文章，你应该看过或听过这样的描述：大爆炸之后，空间不断膨胀导致光子失去能量，宇宙不断冷却；或者是遥远的星系发出的光在长长的空间穿梭时，由于空间的不断膨胀，光的波长被拉长，红移，能量降低。

　　那么问题是，这些光子的能量去了哪里？由于能量守恒，光子能量转移到哪里呢？

　　宇宙诞生时，有少量的能量转化为普通物质，即以质量的形式表现出来。这部分能量只占宇宙总能量的5%左右，它构成了我们现在看到的宇宙中的一切。我们可以通过化学反应和核反应从物质中获取一些能量。当你烧木头生火时：

　　原有的分子键被打破并重组，木材和氧气从不太稳定的化学结构转变为更稳定的灰分和水蒸气结构，在此过程中释放能量。

　　如果我们能收集燃烧过程释放的能量，并用爱因斯坦著名的E=mc^2换算，我们会发现产物和反应物分子的质量之间存在非常非常小的质量差。这种质量差就是释放的能量。

　　事实上，所有形式的能量在反应的每一步都是恒定和守恒的。

　　反应前后的质量差异在核反应中更为明显，因为核反应释放的能量更大，如太阳。我们的太阳自诞生以来就通过释放能量失去了土星的质量。

　　然而，我们发现，虽然宇宙中的光子在膨胀过程中会损失能量，但似乎没有任何东西获得能量（或质量）来补偿这种能量损失。爱因斯坦广义相对论所控制的宇宙时空并不是一个固定的“格子”，而是可以改变的。宇宙空间可以根据其中物质和能量的数量和结构发生弯曲，整个宇宙空间可以膨胀和收缩。.

　　我们也知道光子的能量是由波长决定的。如果宇宙膨胀或收缩，光的波长和能量也会发生变化。那么光子能量去了哪里呢？

　　如果你小时候曾经仔仔细细地想过这个问题，它一定无可避免的会困扰你，因为我们永远都无法弄清楚一个人身体能量的到底如何去向，而且我们可以肯定，宇宙中发生的所有物理过程的能量都应该守恒。难道广义相对论和空间膨胀违反了能量守恒定律？

　　答案可能是！因为广义相对论对很多物理量的定义都很好很精确，但是从来没有提到能量。也就是说，广义相对论没有定义能量，方程中也没有能量守恒的规定。即便如此，我们仍然可以对宇宙膨胀造成的光子能量损失作出合理的认识。

　　我们知道，物体的温度是其组成分子随机运动的表现。如果我们继续加热上图中的气体，也就是提高它的温度或内能，那么气体分子的运动就会越来越快，它们就会膨胀扩散，占据更多的空间。

　　如果我们加热中容器中的气体，分子的热运动会加剧，运动速度加快，它们会以更高的动能撞击容器内部，从而产生额外的正压。容器上部的活塞会被分子压力推出，活塞向上运动会消耗气体分子的内能，即这些气体分子对活塞做了正功。

　　这种情况和宇宙膨胀时的情况很相似。光子具有能量，这由其波长的长度决定。当宇宙膨胀时，光子的波长会被拉长，而光子此时损失的能量就像是宇宙内部的压力，在对宇宙本身做正功！

　　更准确的说，光子对宇宙做了正功，就像分子推动活塞，失去能量一样。但是，如果我们开始收缩宇宙空间结构本身，就像我们压缩活塞一样，光子会发生什么变化？缩小的宇宙会再次对光子做功，这会使光子再次获得能量。这就像一个压缩的活塞导致气体分子升温。

　　其中失去的能量与恢复的能量一样多。

　　所以我们认为随着宇宙的膨胀，光子失去了能量。但这并不意味着能量不守恒。这意味着能量以工作的形式进入不断扩大的空间本身。如果宇宙再次逆转膨胀和收缩，那么宇宙就会反过来对光子做功，这样光子失去的能量就会直接回到光子身上。换句话说，如果宇宙再次逆转膨胀，那么我们的宇宙将不再是一个孤立的系统，而是一个连接在一起的整体。

（编辑：晋中站长网）

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