宇宙能量正在流失

重點提要

■遙遠(yuǎn)的星系正隨著宇宙膨脹而遠(yuǎn)離我們，它們的光會發(fā)生紅移，能量因而降低。

■這似乎違反能量守恒原理，但它其實并未抵觸已知的物理定律。一個別光子的能量是守恒的，而一般發(fā)生于星系內(nèi)的現(xiàn)象也遵守能量守恒定律。

能量既不能被創(chuàng)造出來，也不能被毀滅。這個能量守恒原理，是我們最寶貴的物理定律之一，它支配了我們生活中的每一個環(huán)節(jié)：煮一杯咖啡所需的熱、在樹葉里產(chǎn)生氧的化學(xué)反應(yīng)、地球繞行太陽的軌道、維系我們心臟跳動所需的食物。我們無法不進(jìn)食而活著，汽車缺了汽油就無法發(fā)動，永動機(jī)只是個幻想。所以，當(dāng)某個實驗違反了能量守恒定律，我們當(dāng)然會覺得事有蹊蹺。當(dāng)我們的觀測似乎與能量守恒這個科學(xué)上最基本的理論相違背時，會發(fā)生什么事情？

讓我們暫時跳脫地球，考慮更寬廣的宇宙。我們對于外層空間的信息，幾乎都是以光的形式取得。根據(jù)廣義相對論，光的主要特性之一，便是當(dāng)它從遙遠(yuǎn)的星系穿越不斷膨脹的宇宙時，會因為電磁波被拉伸而發(fā)生紅移，波長越長，能量就越低。因此，好奇寶寶就會問道：當(dāng)宇宙膨脹導(dǎo)致光發(fā)生紅移時，減少的能量到哪兒去了？它是否違反了能量守恒的原理，無端消失了？

現(xiàn)代物理學(xué)早已顯示，當(dāng)我們遠(yuǎn)離舒適的日常生活去深究時間與空間的意義時，許多基本假設(shè)便會開始崩毀。從愛因斯坦那兒，我們知道“同時勝”是會隨著觀測者的地點而變化的幻象，此外，距離與時間的間隔也是相對的?，F(xiàn)在我們也懷疑，看似連續(xù)的時間與空間，就像物質(zhì)平滑的外表，只是掩人耳目的假象。在物理學(xué)中，究竟有什么概念是我們可以真正信賴的？還有哪些我們深信不疑的原理也是一場騙局，阻礙我們通往更深層的真理？物理學(xué)家竟日挑戰(zhàn)已知的現(xiàn)象，殫精竭慮地想辨明那些問題究竟是因為我們的知識不足，或只是單純的誤解。歷史上到處可見錯誤觀念的殘骸，而能量守恒呢？它也是一個誤導(dǎo)人心的概念嗎？

非也。就單一光子而言，能量一直是守恒的，即使光被紅移了也一樣。同樣的，對于發(fā)生在我們星系內(nèi)的現(xiàn)象而言，違反能量守恒是幾乎不可能的，我們珍視的定律仍然屹立不動。但在宇宙學(xué)的尺度中，能量的確是個微妙的概念，而事情也是從這里開始變得有趣。

能量守恒不僅從經(jīng)驗上得到許多證實，科學(xué)家還有更好的理由愿意相信它。我們的信心來自德國數(shù)學(xué)家埃米·諾特爾，她在將近100年前發(fā)現(xiàn)，所有的守恒定律都來自大自然的對稱性，此后能量守恒便擁有了堅實的基礎(chǔ)。

通常，對稱性就像你在鏡中看到的事物，會呈現(xiàn)出某種反射或旋轉(zhuǎn)的景象。正三角形是對稱的，因為當(dāng)你從側(cè)邊翻轉(zhuǎn)它，或把它旋轉(zhuǎn)1/3圈，你會得到完全相同的形狀。正方形也具有對稱性，你只需把它旋轉(zhuǎn)1/4圈便可得到完全相同的形狀。圓是最具對稱性的二維物體，因為不管你旋轉(zhuǎn)多少角度，或以任意一條穿過圓心的線為軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，它的外形都保持不變，可展現(xiàn)出所謂的連續(xù)對稱性。

同樣，物理定律也是對稱的。時間的流動并不會改變自然定律，若你不斷重復(fù)一個實驗，結(jié)果會是一樣的。這一特性被稱為時間的對稱性。此外，自然定律并不因你所在的位置而改變，因此我們擁有空間的對稱性。自然定律也不會因為你觀看的角度不同而改變，這是旋轉(zhuǎn)對稱性。誠然，你所站的位置、所處的時刻以及你的視線方向，都會影響到你看到的景物，但決定景物如何變化的基本物理定律，則與你的位置、方向和時間無關(guān)。物理定律就像圓一樣，當(dāng)它在任何情況下都保持不變時，我們就說它具有連續(xù)對稱性。

諾特爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大自然展現(xiàn)出連續(xù)對稱性時，就會伴隨著能量守恒定律；反之亦然。特別是空間對稱性要求動量一定得守恒，旋轉(zhuǎn)對稱性則保證角動量守恒，而時間對稱性則意指能量必然守恒。