你從小就被教導(dǎo)：能量不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失——這是維持世間秩序的“宇宙憲法”。

但如果你把這本“憲法”拿到廣義相對論的宇宙尺度上審視，會發(fā)現(xiàn)它可能只是一部適用范圍有限的“地方法規(guī)”。

一、能量守恒的根基：時間的均勻性

為什么我們相信能量守恒？答案藏在時間的一個基本性質(zhì)里——時間的均勻性。

根據(jù)物理學(xué)原理，時間平移對稱性意味著能量守恒。如果一個物理系統(tǒng)的作用量在時間平移下保持不變，那么該系統(tǒng)就存在一個守恒量，即能量。

說得通俗點就是：今天的物理定律和明天的物理定律一模一樣，所以“今天有多少能量，明天也應(yīng)該有多少”。這就是能量守恒的哲學(xué)根基。

在經(jīng)典力學(xué)里，這一定律無往不利——從炮彈飛行到行星軌道，能量守恒分毫不差。然而，廣義相對論的出現(xiàn)，徹底改變了這一局面。

二、廣義相對論中的“局域守恒”

廣義相對論對能量守恒的態(tài)度可以總結(jié)為：有條件成立。

在廣義相對論中，物質(zhì)的能量-動量張量滿足協(xié)變守恒律。但在通常的意義下，它并不守恒。

協(xié)變守恒：把引力場本身也算進去，可以寫出一個看起來守恒的公式。但如果你只盯著“普通的物質(zhì)能量”，它壓根不守恒。

引力場的貢獻：只有加上引力場能量的“總能量”才可能守恒；而純物質(zhì)能量，本身就不守恒。

更復(fù)雜的是，引力場的“能量密度”在廣義相對論里甚至無法被唯一定義。引力場本質(zhì)上是時空度規(guī)的改變。在研究物體的統(tǒng)計性質(zhì)時，時空的度規(guī)性質(zhì)只能看作物體所處的“外界條件”。

當宇宙變成一個不斷變化“外界條件”的系統(tǒng)時，能量守恒便難以維持。

三、觀測事實：微波背景光子的能量“丟失”

現(xiàn)在來看一個具體的、觀測到的事實。

當早期宇宙的溫度降到約4000K時，光子與物質(zhì)退耦，形成我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射。這些光子在宇宙中自由傳播，隨著宇宙的膨脹，光子的波長被拉長——這就是宇宙學(xué)紅移。波長變長，能量變小。

這些光子損失的能量去哪了？

按照經(jīng)典物理直覺，能量一定轉(zhuǎn)移到了別處。但相對論宇宙學(xué)給出的解釋是：彎曲時空允許能量不守恒。

這被稱為“背景輻射能量丟失疑難”。更直接的說法是：能量守恒是一個局域概念，它可以對于漸近平直空間中的一個孤立系統(tǒng)定義，而在廣義相對論里并不存在一個一般的總體能量守恒定律。

也就是說：當你把目光放到整個宇宙時，能量守恒真的可以不成立。

四、學(xué)界的三種解釋路徑

面對這種“宇宙憲法被撕毀”的局面，物理學(xué)家們有三條路可以走：

路線一：接受廣義相對論既然實驗和觀測都支持廣義相對論，那就接受彎曲時空允許能量不守恒的結(jié)論。

路線二：尋找“丟失的能量”堅持能量守恒，認為宇宙中存在一種尚未觀測到的機制（如“引力聲子”），微波光子的能量通過它傳遞給了暗物質(zhì)-暗能量介質(zhì)。這就像當年預(yù)言中微子存在一樣，能量守恒依然成立，只是中間過程未被發(fā)現(xiàn)。

路線三：宇宙總能量為零從理論物理的角度看，如果一個物理系統(tǒng)的作用量在任意時間重參數(shù)化下都保持不變，那么這個系統(tǒng)的總能量必定等于零。宇宙就是這樣一個系統(tǒng)。

引力勢能是負的，物質(zhì)場的能量是正的，正負剛好抵消。如果總能量從一開始就是零，那“能量守恒”就變成了一個恒等式：0 = 0。

五、歷史的回響：這不是第一次挑戰(zhàn)

物理學(xué)家不是第一次面對“能量守恒可能不成立”的危機：

1924年：玻爾提出BKS理論，認為能量在微觀過程中只統(tǒng)計守恒，后被康普頓散射實驗推翻。

1930年：β衰變連續(xù)能譜引發(fā)質(zhì)疑，泡利預(yù)言中微子，1956年被發(fā)現(xiàn)，能量守恒得救。

21世紀：宇宙膨脹中微波背景光子能量“丟失”，爭議仍在繼續(xù)。

每一次危機，歷史都會給出兩種結(jié)果：要么是我們還沒找到能量傳遞的環(huán)節(jié)，要么是我們的理論框架本來就不適用于這個問題。

六、結(jié)語：能量到底丟沒丟？

微波背景光子的“丟失能量”到底去哪了？

廣義相對論說：沒去哪，它就是沒了。彎曲時空允許能量不守恒。

守恒派說：它通過某種機制傳給了暗物質(zhì)-暗能量介質(zhì)，能量始終守恒。

零能量宇宙說：宇宙總能量本來就是零，守恒就是一句廢話。

這三種說法背后，是對物理定律地位的不同看法。你是愿意堅守“能量守恒必須永遠成立”的信仰，還是接受“能量守恒只是局域近似”的結(jié)論？