膨胀的宇宙一直在冷却！那能量去了哪里？还守恒吗

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能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式！——热力学第一定律

宇宙大爆炸是我们思维中最难理解的抽象概念。今天的宇宙正在膨胀，这就意味着在过去，物质之间的距离更近，密度更大，温度更高，其中的辐射粒子（主要说光子）也更具有能量！而今天宇宙只比绝对零度高了不到3K，这也是微波背景辐射的平均温度。那么问题来了：曾经那么炽热的高温辐射，能量都去哪了？

我们知道，随着宇宙的膨胀，微波背景辐射慢慢的冷却了下来，微波辐射的光子密度在下降，而且光子正在向更长的波长和更低的能量移动。那么失去的能量去了哪里？

膨胀的宇宙，物质密度在下降，但能量守恒

随着空间的膨胀，物质密度会下降，如果空间再次收缩，密度又会开始上升，这一点很好理解！密度就是在给定的空间区域内所拥有的物质数量；质量密度是每体积所包含的质量，数量密度是每体积的数量，而能量密度是每体积的能量。

对于物质，比如原子、气体、行星、恒星和星系，甚至是暗物质，把它们放在随时间演化的时空中，如果时空膨胀，密度就会下降，如果时空收缩，密度就会上升。

而物质密度、包括能量密度的变化都是因为空间体积在变化。但总质量保持不变，粒子数不变，总能量也保持不变。在充满物质膨胀的宇宙中，密度会发生变化，这只是因为宇宙在膨胀。这没有任何问题，也没有能量（质量）无缘无故的消失。

但是，在一个同样充满辐射的宇宙中，光子不仅密度会下降，而且宇宙体积的变化会发生一件意想不到的事。

空间的膨胀，导致了光的波长变长，失去了能量

光子不仅是粒子（可以像粒子一样相互碰撞和作用），它还表现为电磁波。更最重要的，定义波的特征之一就是它的波长，对于光子来说，波长决定了光子的能量。

波长越长，能量越少，波长越短，能量就越多。现在以宇宙目前的大小来说，一个光子从宇宙最初阶段开始，到现在遗留下来的能量相当于绝对零度以上的2.725开尔文。我们可以根据这个温度使用一些基本常数的组合（玻尔兹曼的常数，普朗克常数和光的速度）算出一个光子的波长，结果就是我们发现这个波长大约是5.28毫米，或者说是你的指甲上半月痕的长度。

我们知道宇宙的膨胀可以拉伸光的波长，那么在过去更小的空间内意味着：

当宇宙只有今天一半大小的时候，辐射光子的波长为2.64毫米。

当宇宙的大小是今天的10%的时候，光子波长528微米。

宇宙的大小只有今天的0.01% ，波长为528纳米，属于可见光波段！

回到越遥远的过去（宇宙年龄更小的时候）辐射的能量就越高。我们今天从大爆炸看到的微波辐射来自于中性原子形成的时期，也称为最后散射的宇宙表面。

这就解释了为什么宇宙在过去没有中性原子（微波背景辐射发出的地方)，没有原子核（因为原子核也会被高能辐射电离），连质子和中子也会被高温分离成夸克-胶子等离子体，甚至在更早的时候，宇宙中充满了高能伽马射线，两个光子会自发地产生奇异的物质-反物质对。

这也解释了为什么今天剩余的辐射会一直向微波波段移动。这些都是来自大爆炸模型的简单、基本预测。

那么膨胀的宇宙中，光子失去的能量去了哪里？

如果今天的辐射能量更低，就会产生一个困扰。不是说能量守恒吗？如果现在能量变少了，那不就意味着能量已经随着空间膨胀损失掉了，因此不再守恒了吗？（其实严格说来，在广义相对论中，没有能量的定义，但我们也不需要用这样的借口来逃避这个问题。）

这种辐射能量并不像我们想象的那样“消失了”；下面我们来做一个类比。想象一个气球，我们把它吹大，然后把口绑起来，气球充满了气，并且和周围的环境保持平衡。我可以测量整个气球系统中空气的总能量。

然后我们将气球浸入77k的液氮中。液氮会直接从气球中的空气分子中吸收热量，气球的体积就会下降。

这是因为空气分子对气球施加了一个向外的力，使气球壁不向内塌缩，当空气失去能量时，施加的向外的力就会不足，气球壁向内移动。现在，我们把气球从液氮中拿出来，气球内的空气就会在周围的空气中重新获得能量，同时向外施加足够的力，把气球壁推开撑圆。

现在我们在说一些做功的概念！当一个物体朝某个方向或相反方向运动时，我们向某个方向给物体施加一个力，所产生的有效距离就是我们对这个物体所做的功，这就是做功的物理概念。当物体向内运动时，我们向外推，力和运动方向相反做的就是负功，也就是说我们把能量从系统中带走了。当物体向外运动时，我们向外推，力的方向和运动方向相同做的就是正功，也就是说我们给系统增加了能量。结合上面的气球失去能量变憋、获得能量变圆，这就是力、距离、做功最简单的例子。

总结：宇宙微波辐射失去的能量转移到了宇宙本身

在膨胀的宇宙中，光子的作用就像气球里的空气：光子向外推，而宇宙向外膨胀，光子对宇宙做了正功。光子也就失去了能量，但能量以完全可逆的方式转移到了宇宙本身！换句话说，如果宇宙重新收缩，光子注入宇宙的能量将直接返回到了光子。

那么现在来回答这个问题！在膨胀的宇宙中光子的能量去了哪里？答案是：来自光子的能量给宇宙的膨胀做了正功，并将其传递到宇宙本身。对宇宙整体来说，能量依旧是守恒的。

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远安县13158927945： 宇宙的能量最终哪去了?不是说能量守恒吗? - ？
子车柴舒窗： 目前我们知道质能转换,也就是核聚变.这会导致质量损失,而产生能量.宇宙在不断膨胀,因此会有更多能量进入宇宙的新区.所以3K背景辐射会越来越低,因为全宇宙产生的能量还远远不够.但红外是会不断循环的 目前科学家只是在大爆炸的理论上推论出,应该存在能量转化为质量的机制,但目前还未研究出其具体方式及公式.宇宙总能量目前来看大约是守恒的.在大爆炸期间理论上存在能转质的过程,但机制和条件尚不清楚.但很可能所需条件极其苛刻(大爆炸时的条件也许行),以致目前宇宙里可能几乎没有地方实现能量转质量的地方.在最新研究成果出来之前,也只能认为宇宙是能量守恒的.

远安县13158927945： 为什么说如果宇宙永远处于膨胀的状态中,结局则是黑暗和寒冷.根据熵定律,应该无论如何宇宙越来越热 - ？
子车柴舒窗： 如果宇宙永远处于膨胀的状态中,你设想一下:所有能够发生核聚变反应的物质都反应完了,恒星不再生成,原有的恒星全都成了白矮星、中子星和黑洞,白矮星熄灭后成为黑矮星、中子星熄灭后成为一团黑暗的中子团,黑洞也在量子蒸发中化为乌有.宇宙中不再有发光发热的恒星,不是黑暗和寒冷吗? 熵并不总是代表热,它还是系统混乱程度的度量值.一个热力学系统,越是有规则,熵就越低.越是无秩序、越是混乱,熵就越高.当整个宇宙变成一团黑暗后,其中即使还残存有秩序,也无法探知了.这种情况就是对应着宇宙这个系统中熵的最大值.这种状态叫做“热寂”. 热寂并不意味着高的温度,而是意味着高的混乱程度.

远安县13158927945： 宇宙中那么多颗恒星发出那么多的热量,这些热量都到哪里去了呢?？
子车柴舒窗： 没有“冷量”这个概念.热量本质上是能量的一种表现形式,通过微观粒子无规则运动和电磁辐射表现出来.如果缺少这两者,热量就会降低,差不多就是你所谓的“冷量”.由于宇宙中星云不断凝聚,整体上恒星数量是在增加的,所以温度的降低主要原因是宇宙的膨胀

远安县13158927945： 宇宙中的恒星散发的能量最终到哪去了! - ？
子车柴舒窗：[答案] 能量守恒,辐射能都回一直传播下去,随着传播而分散变弱,直至碰上其它物质被吸收. 而这些能量是不是会累积,答案是否定的.这就牵涉到宇宙是否无穷的问题了,如果宇宙总质量是有限,那么总能量有限.在熵增加的时间箭头下,及时体积不发生...

远安县13158927945： 宇宙的热量来自恒星冷量从哪里来 - ？
子车柴舒窗： 宇宙本身就是冷的,绝对零度.只不过由于大爆炸造成了宇宙有背景辐射,就是个几K温度的辐射,这就相当于宇宙平均温度了.恒星的温度是由于引力能和原子能转化成的热能,按热力学第二定律能量最后都会变成混乱的品位低的辐射,最后就全成宇宙背景辐射了.所以不是热源冷源的问题,本身就是冷的,只不过少数恒星热了一下而已

远安县13158927945： 宇宙的外面是什么,宇宙的能量消失在哪?？
子车柴舒窗：宇宙是有限无界的.举个例子:地球是一个三维球体,而如果你乘飞机环球航行你会发现你永远别想到达地球的终点,这是因为你生活在地球这一三维空间的闭合二维面上.而宇宙和地球的不同就在于它比地球多了一维,然而这并无大碍,你完...

远安县13158927945： 宇宙中无数的恒星,释放的能量都最终到哪儿去了 - ？
子车柴舒窗： 恒星向宇宙中释放的能量仍在宇宙中,会使宇宙空间中的能量增加,但对于宇宙来说,这些能量仍是微乎其微. 宇宙极其浩瀚,即使其中有无数的恒星在向宇宙中倾泻能量,但对于宇宙来说,仍是非常少的.恒星释放的能量如果被限制在一个小范围内,可能会使这个范围内的能量(主要表现在温度上)上升.但宇宙极其浩瀚,至今看不到宇宙的边缘.而在宇宙中,正在向四面八方释放能量的恒星,只是一个个微小的亮点,加之宇宙在膨胀,容纳这点能量对于宇宙来说没有什么不同. 打个比方,寒夜中划着几根火柴,对于环境温度的升高没有任何作用.只给饿极了的人吃几粒米饭,跟什么也没吃一个样.

远安县13158927945： 宇宙最初的能量来自哪里?最后会在哪里消失? - ？
子车柴舒窗： 哇噻!你几岁呀?这问题不仅涉及到了广义相对论,还涉及到了霍金的黑洞理论,有风格,相对论,质子碰撞,以我的的解释,应该是一切事物的平衡点,质子碰撞,再应力性的作用下,再去撞击其粒子,一直撞下去,产生能量-------爆炸撞击产生能量,能量相互吸引产生宇宙. 这是我的理解,要解释需要多方的知识,所以我的解释有漏洞,但应该有关质子对撞,希望能帮助你,消失.我也不知,但应该还在延续,因为生命还在,消失,应该是在宇宙膨胀之后,收缩,冷却,产生爆炸力量,毁灭,但又产生了一个全新的世界.

远安县13158927945： 为啥整个宇宙的能量为0 - ？
子车柴舒窗： 因为每一分正能量都对应一份负能量,每一分正物质都对应一份反物质,宇宙最初是什么也没有的,根据质量守恒定律和能量 守恒定律,所以宇宙的总质量是零,总能量也是零.

远安县13158927945： 宇宙膨胀的能量来自哪里? - ？
子车柴舒窗： 一切存在中,宇宙最大.科学家认为它起源为137亿年前之间的一次难以置信的大爆炸.这是一次不可想像的能量大爆炸,宇宙边缘的光到达地球要花120亿年到150亿年的时间.大爆炸散发的物质在太空中漂游,由许多恒星组成的巨大的星系就...