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能量守恒被破坏?微波背景辐射中光子的能量去了哪里?

这是我们宇宙学系列的最后一节课,微波背景射中光子能量去了哪里

我们知道小时候的宇宙,它的体积很小,这说明那个时候的宇宙物质密度很高、辐射所携带的能量也很高。

比如说在宇宙诞生后的38万年,光子的能量曾经有13.6电子伏特,对应的温度大约为3000摄氏度,这个温度可以电离中性氢原子。

再比如说,在宇宙诞生后只有三分钟的时候,光子有段时间的能量能够达到220万电子伏特,这个能量可以电离最轻的原子核(氘核)。

而现在,宇宙诞生以后的138亿年,微波背景辐射中光子的能量只剩下的零点几个电子伏特,所对应的温度只比绝对零度高了不到3度。

这是咋回事?相信大家都清楚,因为我们的宇宙一直在膨胀,在膨胀的过程中,会对其中的物质和辐射产生一些微妙的影响。

先拿物质来说,随着空间体积的增大,只要宇宙中的物质总量没有发生变化,那么根据密度等于质量除以体积就能知道,宇宙中的物质密度会一直下降。

如果宇宙逆转膨胀,体积开始变小的话,那宇宙中的物质密度就会开始上升。所以对于物质来说,在一个膨胀的宇宙当中,没有任何的问题,没有能量缺失,也就是不存在能量守不守恒的问题。

但是光子就不一样了,随着宇宙的膨胀,光子除了密度会下降以外,波长还会被拉长,我们知道光子的能量跟波长有着直接的关系,波长越长光子的能量就越低,波长越短能量就越高。

所以说,宇宙的体积在变大的时候,光子的波长也在变大,比如说宇宙体积只有今天的0.01%的时候,当时微波背景辐射中光子的波长为528纳米,可见光的范围大约是400纳米到700纳米之间,这说明当时的宇宙在我们的肉眼看来就没有黑暗的地方,晚上不用开灯啥都能看见。

当宇宙的体积只有今天50%的时候,光子的波长大约为2.64毫米。而到了今天光子的波长大约为5.28毫米,对应的温度为2.7K。所以说宇宙变冷是因为光子的波长被空间拉长了。但这个答案并不能让所有的人都满意。

因为如果我们再往下继续追问这个问题的话,就会出现逻辑上的困难,我们知道热力学的第一定律,能量守恒,说的是,能量不会凭空出现,也不会无缘无故的消失,只能从一种形成转换成另外一种形成。

如果你现在把能量守恒定律用在一个膨胀降温的宇宙当中,如果我们认为宇宙是一个孤立系统的话,那就出现问题了?

你说,微波背景辐射光子的能量去了哪里?根据能量守恒定律,它曾经那么热,现在这么冷,这么多的能量不应该会凭空消失掉,而是会转换成另外一种形式,所以问题是,它转换到了哪里?

说实在的,这个问题目前还真的没有一个看似完美的答案,因为目前人类对能量是啥,都搞不清楚,没有一个准确的定义。

比如说,在广义相对论中就没有对能量下定义,而且在相对论的方程中也没有对能量守恒的要求,对能量的理解我们只能找经典物理学,所以说这个问题只能通过经典物理学给出答案。

就算在经典物理学当中,能量也是一个非常抽象的概念,不过我们还是把能量划分成了一些不同的形式,比如动能,这就好理解了,说的是由于物体运动所具有的能量,还有一个我们也比较熟悉:叫势能,比如引力势能,一个在高处的物体它就具有引力势能。

当然还有一些其他的能量形式,比如说热能、核能、化学能等等这些能量形式。那么在谈论能量的时候,还有一个概念比较重要,叫做功。

做功的定义是,一个力现在作用到了一个物体上,并且这个物体还在这个力的方向上运动了一段距离,我们就说这个力对这个物体做了功。

那功也有正负之分,比如说,在物体的运动方向上,给物体施加一个力,我们就说这个力对物体做了正功,增加了系统的能量。

那么给物体施加一个和运动方向相反的力,我们就说这个力对物体做了负功,典型的例子就是摩檫力,它就和物体的运动方向相反,那么摩檫力做的就是负功,它降低了系统的能量。

可以看出做功是一个能量到另外一个能量转变的过程,比如说,处在山坡上的小球滚入山谷,在这个过程中引力对小球做了正功,势能转变为动能。水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,这是内能转化为了机械能。

好,掌握了以上的概念,我们接下来就说,微波背景辐射中的能量去了哪里?

先举个例子,在一个有活塞的容器当中,如果给其中的气体加热,由于温度的升高,气体分子的运动会更加的剧烈,这时气体就会膨胀到更大的空间,对活塞做功,就将自己的内能转化成了活塞的机械能了。相反的,把活塞使劲向下压,也会使得容器内的气体升温,内能增加。

现在我们把宇宙也形象成一个容器,里面充满了光子。宇宙现在在膨胀,光子失去了能量,我们就可以认为光子就像容器中的气体一样对宇宙做了功,并且是正功,将自己的能量作用到了空间本身,所以它失去了能量。

假如现在空间收缩的话,那么空间反过来就会对其中的光子做功,使它能量增加,这就像是我们压缩活塞一样,气体反过来也会升温。

所以我们认为,在一个膨胀的宇宙当中能量也是守恒的,光子的能量并没有凭空消失,而是对空间做了正功。

这样的说法也许还能回答另外一个难题,我们知道空间不断被创生,但创生出来的空间中又包含了所谓的暗能量,所以说宇宙虽然在不断地变大,但是暗能量的密度并不会下降。

所以这时就有人要问了,不断创生的暗能量是不是也破坏了能量守恒定律,刚好,我们现在就可以认为微波背景辐射中的光子损失的能量正是暗能量的来源。这样的话,宇宙依旧会保证能量守恒。

当然还有另外的解释,我们认为宇宙中的物质相互吸引具有负势能,比如说,两个物体一开始离得非常远,它们的动能、势能之和为零,但是它俩之间有吸引力,如果让它俩开始靠近,最后是动能越来越大,那为了保证它们两个之间得能量守恒,我们就必须认为它俩之间得势能为负能量,而且离得越近势能的负值越大。所以对于引力来说,势能可以是负能量。

那宇宙的膨胀就会增加这种负能量,为了保证能量守恒,所以空间中有了暗能量。这都是一些可能的解释。

我相信有很多人会对这些解释不满意,那就只能等待量子引力理论诞生以后,我们对能量有一个更加严格的定义,更深一层的认识之后,才能知道宇宙在膨胀的过程中是不是能量守恒的。

好了,那今天的内容就到了这里了。这节课结束以后,宇宙学系列就说完了,希望对你能有所帮助。