整个宇宙的能量是否守恒?
现代物理学和天文学的观测都验证出来,宇宙正在加速膨胀。在不断膨胀的宇宙中穿行的光子似乎丢失了能量。那么物质呢?它们也会丢失能量吗?
在描述宇宙中物质运动时,我们会把运动分为两类。一个物体可以只随宇宙膨胀的大趋势而离我们远去,就像画在气球表面上的圆点会随气球的膨胀而相互远离一样。在宇宙学中,我们称这个物体是“共动”的。
不过,在宇宙膨胀所导致的退行之外,物体还可以有它自己的运动——这第二类运动被称为 “本动”。如果某个物体因为某种局部效应,比方说受到邻近星系的引力作用或者一枚火箭的推动作用,脱离了宇宙膨胀的大趋势,这个物体就会出现本动。
星系本身或多或少总会有一些本动,但对那些退行速度远远超过邻近星系的遥远星系来说,本动速度与它们的退行速度相比就显得微不足道。在最大的宇宙尺度上,星系的分布是均匀的,因此局部效应可以忽略,星系本质上都是共动的。它们可以被视为是整个宇宙这个大气球上的圆点。
因此,就像光通过波长增加而丢失能量一样,物质也会通过速度减慢而丢失能量。波长增加和速度减慢看似没有任何相通之处。但是,有趣的是,量子力学将两者合二为一了。在量子力学的物质观里,拥有质量的粒子还拥有类似于波的性质。
有的朋友可能会怀疑量子力学情况下的能量守恒。事实上,在量子力学中,如果哈密顿量不随时间改变,那么此时会有「能量守恒」,这里的能量守恒指的是「能量的期望值不随时间变化」,而不是能量的每次测量值不发生改变,能量守恒定律依然是成立的。
当然,所有这些都需要能量的助推,不过宇宙的正反爆发是极其复杂的,至于其中,能量形态的转换,是不是一分钱一分货那样, 锱铢必较,就不好说了。
宇宙中的能量守恒,原子生生不灭