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宇宙中暗能量密度不变而宇宙一直在膨胀,能量守恒失效了吗?

时间:2019-03-28 07:30:11 浏览量:
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暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光,所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。

暗能量密度不变违反能量守恒定律吗

如果能量密度(每单位体积的能量)保持不变,但是宇宙的体积在增加,这难道不意味着宇宙中总能量在增加吗?这难道不违反能量守恒定律吗?毕竟,我们认为在宇宙中发生的任何物理过程中,能量都应该是守恒的。广义相对论是否提供了一种可能的能量守恒?

问题的答案可能是正确的,广义相对论中有大量的能够精确地定义,而能量不是其中之一。换句话说没有规定说能量必须与爱因斯坦的方程相结合;全局“能量”未被广义相对论定义!事实上可以对能量何时守恒做一个很一般的说明。当有粒子在时空的静态背景中相互作用时,能量是真正守恒的。但是当粒子运动的空间发生变化时,这些粒子的总能量是不守恒的。这对于在膨胀的宇宙中红移光子来说是正确的,对于一个由暗能量主导的宇宙来说也是如此。

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但这并不是故事的结局,我们可以对空间变化时的能量给出一个新定义。有一种非常聪明的方式来看待“能量”,它可以让我们证明,事实上能量是守恒的,即使在这种看似矛盾的情况下。希望你记住,除了化学,电,热,动能,势能,还有其他的,还有功。在物理学中,功是当对一个物体施加一个力的方向与它移动的距离相同,这给系统增加了能量。如果方向相反,就做负功,这就减少了系统的能量。

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一个好的类比就是对气体的思考,如果给这些气体加热(增加能量)会发生什么?当分子获得能量时,内部的分子运动得更快,这意味着它们加快了速度,然后扩散开来,以更快的速度占据更多的空间。但是,如果加热一个容器里的气体,会发生什么呢?分子变热了,运动得更快,它们试图散开,但在这种情况下,它们经常会撞到容器的壁上,在壁上产生额外的正压力。容器的壁被向外推,这就消耗了能量:分子对它做功。

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这和膨胀宇宙中发生的事情非常相似,如果宇宙充满了辐射(光子),每个量子都会有一个能量,由波长决定,当宇宙膨胀时,光子的波长就会被拉长。当然,光子正在失去能量,但所有东西都是在宇宙本身的压力下进行。相反,如果宇宙充满暗能量,它也不仅有能量密度,而且还有压力。然而最大的不同是,来自暗能量的压力是负的,这意味着辐射是相反的。当容器的墙壁膨胀时,它们就在空间的结构上做功。

暗能量的能量从何而来

那么暗能量的能量从何而来?它来自于宇宙膨胀的负功。1992年卡罗尔、普雷斯和特纳写了一篇论文讨论了这个问题。他们在书中写道:这个“补丁”对它周围的环境做负功,因为它有负压。假设这个补丁的膨胀是绝热的,可以把这个做负功等同于补丁的质量/能量的增加。这样就可以恢复暗能量的正确状态方程:P=-pc^2,因此与数学是一致的。同样,这并不意味着能量是守恒的,它只是给了我们一个聪明的方法来看待这个问题。

结论

1、当粒子在一个不变(静态时空)的时空中相互作用时,能量必须是守恒的。当时空发生变化(动态时空)时,守恒定律就不再成立。

2、如果将能量重新定义为包括在它周围一小块空间所做的功,无论是正的还是负的,就可以在膨胀的宇宙中能量守恒。这对于正压(如光子)和负压(如暗能量)都是成立的。

但这种重新定义并不可靠,这仅仅是一个数学上的重新定义,我们可以使用强制能量是守恒的。问题的真相是在膨胀(非静态时空)宇宙中能量并不是守恒的。也许在量子引力理论中是守恒的,但是在广义相对论中还没有任何好的方法来定义能量。

编辑:时雨
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