暗能量驱动宇宙膨胀,那宇宙的能量还守恒吗?

我们知道,暗能量推动了宇宙的膨胀,但膨胀的空间又富含真空能量,也就是暗能量。而且暗能量的能量密度也不会随着宇宙的膨胀而被稀释!这听起来确实很奇怪,暗能量能凭空产生?但事实是宇宙的能量依旧是守恒的,这一点没有任何问题!那到底发生了什么?下面就分析这个问题。

在一个封闭的系统中能量是守恒的

几个世纪以来,在我们知道能量守恒这个铁律之前,人们就有“不劳而获”的想法,各种永动机横空问世。但事实上都失败了!

例如,上图中滚下山坡的球,在这个过程中球会加速并获得动能,但这不是凭空获得的能量!是不同形式的能量:重力势能转化成了动能。在球运动过程中的任何一个点上,动能+势能的总能量总是保持不变的。

一个封闭的系统,或者一个不能从外部获得或失去能量的系统,这个系统就是一个完美的能量守恒定律系统!

例如,地球本身就不是一个封闭的系统。地球会接收来自整个宇宙的光和能量,尤其是来自太阳的能量,并将自身的能量辐射到太空中。太阳也不是封闭的系统,因为它不断地向太空辐射能量,它的能量也不是凭空而来,而是通过核聚变和E = mc^2将部分质量转化为光和热以及中微子。当所有输入源和输出源都包含在整个系统时,对于宇宙中的任何系统,能量守恒定律都成立。

宇宙是如何膨胀的

从最小的亚原子尺度到最大的宇宙尺度,一旦将所有的能量来源、吸收和释放都被计算在内,能量守恒定律仍然成立!那么如上文所问:加速的宇宙怎么解释?能量来源是什么?有没有违反能量守恒定律?

你可以想象早期的宇宙是一个炽热、稠密、迅速膨胀的物质和能量球体。我们也知道,如果宇宙中充满了物质和能量,引力会用尽一切办法把膨胀的宇宙拉回来。看一下上面的图片:

  • 最左边的图表代表了一个膨胀的宇宙,但引力最终获胜:最初的膨胀率对于物质和能量的密度来说有点不够,宇宙最终在引力的作用下逆转了膨胀,在收缩中重新坍塌。

  • 第二幅图宇宙也是从初始膨胀中开始,但物质、能量的密度达到了一个临界值,在这种情况下,宇宙的膨胀速度持续放缓,逐渐接近于零,宇宙也不可能发生逆转。

  • 第三种情况一个低密度宇宙,由于宇宙中所有物质和辐射之间的引力无法抵消最初的膨胀,宇宙一直在惯性的作用下匀速滑行。

  • 然后是第四种情况,实际上是加速膨胀的宇宙。我们的宇宙是一个充满暗能量的宇宙,或者说是空间自身固有的真空能量。在这种情况下,远离我们的遥远星系随着时间的推移将会越来越快地远离我们!

这意味着,如果我们从一个有限的物质和能量的球体开始,让它随着时间的推移而膨胀,这个球体的半径会像下图这样增长:

我们的宇宙永远不会像上图中橙色曲线那样去发展。与临界(绿色)或低密度(蓝色)曲线不同,我们宇宙的“大小”正以指数速度增长,如红色曲线所示。

自从我们发现暗能量以来,最好的测量结果告诉我们空间本身的能量密度(暗能量密度)既不会增加也不会减少,而是保持不变。

这话听起来可能让你感到困扰:如果能量密度保持不变,但空间在膨胀,这不是违反了能量守恒吗?换句话说,随着时间的推移,宇宙是不是制造了越来越多的能量?

暗能量的能量从哪里来

我们也有另外一种看待“能量”的方式,也让我们能够证明,即使在这种看似矛盾的情况下,能量也是守恒的。

我们需要知道能量除了化学,电,热,动能,势能,还有功。

做功是能量由一种形式转化为另一种的形式的过程。做功的两个必要因素:作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离。经典力学的定义:当一个力作用在物体上,并使物体在力的方向上通过了一段距离,力学中就说这个力对物体做了功。

这意味着如果你给向上移动的重物施加了一个向上的力,那么你做的功就是正功(即:你给系统增加了能量)。但是如果你对一个向下运动的物体施加一个向上的力,你做的功就是负功(即:你从系统中移除能量)。也就是说与物体运动方向相反的力做负功,相同的力做正功!

现在,让我们想想宇宙。看下图正在膨胀的球体,有个恒定的能量密度(暗能量)充满了整个球体,而引力这时正在试图把球体往回拉。那么这个球体的运动方向时怎样的?

球体在膨胀。换句话说,当球体在膨胀时,引力向相反的方向拉,所以所以引力做负功!而暗能量对宇宙做正功。所以“暗能量”的能量来自哪里,它来自于引力对宇宙膨胀所做的负功!

这就是为什么在一个有暗能量的宇宙中,能量依然守恒。

说宇宙膨胀的人,就把宇宙规定了范围,我觉得说得不真实,物质是守衡的,假设不真实,宇宙不能用时间和大小来规范,所以爱因斯坦说,时间不成立,是人类的思维还没有达到最顶级,人类科技还在初级阶段,也有可能人类是被其它生物控制发展,主观能力靠自生本领,多维空间也会有,无穷无尽的宇宙生万物,万物也能变换成你想不到摸不着看不见的东西等。

意识是驱动事物运动变化和发展的重要元素与动力发展的重要源泉,意识是事物的本质,宇宙万物的重要来源和能源与引力的集中表现,意识是潜动力,暗物质 。

2022-02-14

2022-02-14