這是我們宇宙學系列的最後一節課，微波背景輻射中光子的能量去了哪裡？

我們知道小時候的宇宙，它的體積很小，這說明那個時候的宇宙物質密度很高、輻射所攜帶的能量也很高。

比如說在宇宙誕生後的38萬年，光子的能量曾經有13.6電子伏特，對應的溫度大約為3000攝氏度，這個溫度可以電離中性氫原子。

再比如說，在宇宙誕生後隻有三分鐘的時候，光子有段時間的能量能夠達到220萬電子伏特，這個能量可以電離最輕的原子核（氘核）。

而現在，宇宙誕生以後的138億年，微波背景輻射中光子的能量隻剩下的零點幾個電子伏特，所對應的溫度隻比絕對零度高了不到3度。

這是咋回事？相信大家都清楚，因為我們的宇宙一直在膨脹，在膨脹的過程中，會對其中的物質和輻射産生一些微妙的影響。

先拿物質來說，随着空間體積的增大，隻要宇宙中的物質總量沒有發生變化，那麼根據密度等于質量除以體積就能知道，宇宙中的物質密度會一直下降。

如果宇宙逆轉膨脹，體積開始變小的話，那宇宙中的物質密度就會開始上升。所以對于物質來說，在一個膨脹的宇宙當中，沒有任何的問題，沒有能量缺失，也就是不存在能量守不守恒的問題。

但是光子就不一樣了，随着宇宙的膨脹，光子除了密度會下降以外，波長還會被拉長，我們知道光子的能量跟波長有着直接的關系，波長越長光子的能量就越低，波長越短能量就越高。

所以說，宇宙的體積在變大的時候，光子的波長也在變大，比如說宇宙體積隻有今天的0.01%的時候，當時微波背景輻射中光子的波長為528納米，可見光的範圍大約是400納米到700納米之間，這說明當時的宇宙在我們的肉眼看來就沒有黑暗的地方，晚上不用開燈啥都能看見。

當宇宙的體積隻有今天50%的時候，光子的波長大約為2.64毫米。而到了今天光子的波長大約為5.28毫米，對應的溫度為2.7K。所以說宇宙變冷是因為光子的波長被空間拉長了。但這個答案并不能讓所有的人都滿意。

因為如果我們再往下繼續追問這個問題的話，就會出現邏輯上的困難，我們知道熱力學的第一定律，能量守恒，說的是，能量不會憑空出現，也不會無緣無故的消失，隻能從一種形成轉換成另外一種形成。

如果你現在把能量守恒定律用在一個膨脹降溫的宇宙當中，如果我們認為宇宙是一個孤立系統的話，那就出現問題了？

你說，微波背景輻射光子的能量去了哪裡？根據能量守恒定律，它曾經那麼熱，現在這麼冷，這麼多的能量不應該會憑空消失掉，而是會轉換成另外一種形式，所以問題是，它轉換到了哪裡？

說實在的，這個問題目前還真的沒有一個看似完美的答案，因為目前人類對能量是啥，都搞不清楚，沒有一個準确的定義。

比如說，在廣義相對論中就沒有對能量下定義，而且在相對論的方程中也沒有對能量守恒的要求，對能量的理解我們隻能找經典物理學，所以說這個問題隻能通過經典物理學給出答案。

就算在經典物理學當中，能量也是一個非常抽象的概念，不過我們還是把能量劃分成了一些不同的形式，比如動能，這就好理解了，說的是由于物體運動所具有的能量，還有一個我們也比較熟悉：叫勢能，比如引力勢能，一個在高處的物體它就具有引力勢能。

當然還有一些其他的能量形式，比如說熱能、核能、化學能等等這些能量形式。那麼在談論能量的時候，還有一個概念比較重要，叫做功。

做功的定義是，一個力現在作用到了一個物體上，并且這個物體還在這個力的方向上運動了一段距離，我們就說這個力對這個物體做了功。

也有正負之分，比如說，在物體的運動方向上，給物體施加一個力，我們就說這個力對物體做了正功，增加了系統的能量。

那功

那麼給物體施加一個和運動方向相反的力，我們就說這個力對物體做了負功，典型的例子就是摩檫力，它就和物體的運動方向相反，那麼摩檫力做的就是負功，它降低了系統的能量。

可以看出做功是一個能量到另外一個能量轉變的過程，比如說，處在山坡上的小球滾入山谷，在這個過程中引力對小球做了正功，勢能轉變為動能。水壺中的水沸騰時水蒸氣對壺蓋做功将壺蓋頂起，這是内能轉化為了機械能。

好，掌握了以上的概念，我們接下來就說，微波背景輻射中的能量去了哪裡？

先舉個例子，在一個有活塞的容器當中，如果給其中的氣體加熱，由于溫度的升高，氣體分子的運動會更加的劇烈，這時氣體就會膨脹到更大的空間，對活塞做功，就将自己的内能轉化成了活塞的機械能了。相反的，把活塞使勁向下壓，也會使得容器内的氣體升溫，内能增加。

現在我們把宇宙也形象成一個容器，裡面充滿了光子。宇宙現在在膨脹，光子失去了能量，我們就可以認為光子就像容器中的氣體一樣對宇宙做了功，并且是正功，将自己的能量作用到了空間本身，所以它失去了能量。

假如現在空間收縮的話，那麼空間反過來就會對其中的光子做功，使它能量增加，這就像是我們壓縮活塞一樣，氣體反過來也會升溫。

所以我們認為，在一個膨脹的宇宙當中能量也是守恒的，光子的能量并沒有憑空消失，而是對空間做了正功。

這樣的說法也許還能回答另外一個難題，我們知道空間不斷被創生，但創生出來的空間中又包含了所謂的暗能量，所以說宇宙雖然在不斷地變大，但是暗能量的密度并不會下降。

所以這時就有人要問了，不斷創生的暗能量是不是也破壞了能量守恒定律，剛好，我們現在就可以認為微波背景輻射中的光子損失的能量正是暗能量的來源。這樣的話，宇宙依舊會保證能量守恒。

當然還有另外的解釋，我們認為宇宙中的物質相互吸引具有負勢能，比如說，兩個物體一開始離得非常遠，它們的動能、勢能之和為零，但是它倆之間有吸引力，如果讓它倆開始靠近，最後是動能越來越大，那為了保證它們兩個之間得能量守恒，我們就必須認為它倆之間得勢能為負能量，而且離得越近勢能的負值越大。所以對于引力來說，勢能可以是負能量。

那宇宙的膨脹就會增加這種負能量，為了保證能量守恒，所以空間中有了暗能量。這都是一些可能的解釋。

我相信有很多人會對這些解釋不滿意，那就隻能等待量子引力理論誕生以後，我們對能量有一個更加嚴格的定義，更深一層的認識之後，才能知道宇宙在膨脹的過程中是不是能量守恒的。

好了，那今天的内容就到了這裡了。這節課結束以後，宇宙學系列就說完了，希望對你能有所幫助。

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