为什么说暗能量具有负压强？空间不断被创造，怎样做到能量守恒

空间可以被不断的创造出来，目前掌控我们宇宙的真空能量（暗能量）并不会随着空间的膨胀而被稀释，更多的空间导致了更多的暗能量，那么问题来了，有暗能量存在的宇宙，宇宙还符合能量守恒定律吗？暗能量为何被认为具有负压强？我们今天就解决这个问题。

是什么在膨胀？空间本身发生了什么？

每当我们望向银河系之外，我们就会发现了数十亿颗跟我们银河系大小和规模相当的星系。随着观测技术的进步，我们看得越来越远，宇宙中的星系就会显得越来越小，越来越模糊，但数百万、数十亿、甚至数百亿光年之外仍然有星系存在。这是宇宙最令人震撼的特征之一，也是一切问题的根源所在。

而且宇宙不是静止的，所有的星系都倾向于互相远离彼此，引力在小尺度上将万物束缚在一起，但在更大的尺度上，那些星系和星系团是并不受引力的约束，随着空间的膨胀宇宙将会越来越稀疏，越来越寒冷。

这个发展过程就意味着，过去的宇宙结构和今天不同;过去，星系和星系团的距离更近。未来的宇宙结构也不会像今天这个样子，在未来星系之间会离得越来越远。

有些小伙伴可能会不理解，到底是什么在膨胀？是星系在远离，还是星系本身不动只是它们之间的空间变大了？

有一些很好的类比可以解释这个现象:你可以把星系想象成贴在正在膨胀的气球表面的硬币，或者是正在烘烤的面包里的葡萄干。在这两种情况下，星系本身不会膨胀，但随着时间的推移，它们之间的空间距离会膨胀。

你这时可能会担心，在一个不断膨胀的宇宙中，空间本身到底发生了什么？空间会不会被拉扯的更薄或更脆弱，会不会有一天被撕裂？

这样可虑也是有一定道理的，因为一个被拉伸的气球最终会爆炸，面包有它能发酵的最大尺寸。但是我要告诉你空间并没有这样的限制，今天的空间性质和100亿年前的空间并没有本质上的不同，100亿年后也不会有本质上的不同。

事实上，随着宇宙的膨胀，越来越多的空间在这些紧密结合的引力结构（各大星系）之间被创造了出来。

如果宇宙空间真的是空的，没有任何的内在能量，那么空间的创造也不至于困扰我们。但是在我们所生活的宇宙中，情况并非如此!

上图中我们生活的宇宙本可以是以下三种情况：

• 宇宙有一天会在自身重力作用下重新坍缩(橙色曲线)
• 宇宙可以膨胀到无穷大(蓝色曲线)，因为万有引力不足以使它重新坍缩
• 宇宙也可以恰好在以上两者之间的边界上滑行(绿色曲线)，膨胀率逐渐降至零，形成一个稳恒态的宇宙，这种情况下如果宇宙中再多一个质子，它就会重新坍缩。

但以上这些情况都不是我们的宇宙;我们生活在红色曲线上，空间本身具有一种固有能量。这就是暗能量的本质:真空中固有的能量。暗能量占了宇宙总能量的三分之二以上，这个比例只会随着宇宙的不断膨胀而增加，更多的空间会自发地产生，更多的暗能量也会随着空间的产生而产生。

是不是觉得出问题了？如果只是在无中生有地自发地创造更多的空间，而空间固有内在的能量，这是不是违反了能量守恒?”

这样考虑也是有道理的，怎么能无形中创造出能量呢？在广义相对论中，“能量”不是一个严格定义的量，是一个很抽象的概念，但我们仍然能对不同类型的能量有很好的描述。

我们知道有重力势能，它告诉我们物体在一定位置所蕴含的能量。我们知道有动能，也就是物体运动的能量。我们还知道核能，化学，电力，以及很多其他形式的能源。

但是还有一个特别重要的物理学名词：做功。做功是指，向一个物体施加一个力，使其移动一段距离，这个力与物体的距离变化方向相同时，这个过程所需要的能量。

这意味着在引力场中，如果你对一本书施加了一个向上的力，并使其向上移动了一段距离，你就做了正功(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，你做的功是负功。(即你从系统中移除了能量)

一般来说，当你向书移动的方向推的时候，你做了正向的功，给系统增加了能量，当你向相反的方向推的时候，你做了负功。

现在，让我们把这个知识点用在宇宙上（下图）。这个球形物体正在膨胀，恒定的能量密度（即暗能量）填满了球体。由物质和辐射产生的引力把这个球体往进拉，但是球体在做什么呢？

球体在向外膨胀。换句话说，物质和辐射能量产生的引力把宇宙向内拉，这和膨胀的方向相反，所以引力在做负功!

换句话说，宇宙创造了更多的空间，而这个空间确实具有内在能量。但是，星系随着空间的膨胀而变得不再紧密地结合在一起，辐射能量随着红移而降低，宇宙膨胀时现有的物质和辐射能量所做的负功就是创造新空间的额外能量来源!

所以如果你问“暗能量”的能量来自哪里，它来自于对宇宙膨胀做的负功。所以一般也认为物质和辐射能量让万物聚集在一起，它具有正压强性质，但是我们的宇宙一直在加速膨胀，所以只有暗能量具有负压强性质才能使得宇宙发展成如今的摸样。