膨胀的宇宙一直在冷却！那能量去了哪里？还守恒吗？

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。