如果能量守恒，那宇宙膨胀时，光子损失的能量去了哪里？

“在各种化学反应中，没有物质质量的损失；在所有的物理变化中，没有能量损失。”——亨利·恩菲尔德·罗斯科爵士

以上这段话是我们宇宙中的一个基本原理铁律：能量守恒定律，就是说能量不会无缘无故地产生，也不会凭空消失，它必须从一种形式转变为另一种形式。例如，我们生活的地球上的主要能源来自太阳光，而太阳光的产生是太阳核心每秒消耗400万吨质量进行核聚变释放的能量。这种能量的一部分以光子的形式到达地球，为我们提供了生存所必需的光和热。

除了太阳能，我们的生活也离不开化学能，化学能是我们人类生产生活的主要能源，但无论能量如何产生和消耗，能量在传输过程中都是守恒的。但如果你经常看宇宙学的科普文章，你应该看过或听过这样的描述：大爆炸之后，空间不断膨胀导致光子失去能量，宇宙不断冷却；或者是遥远的星系发出的光在长长的空间穿梭时，由于空间的不断膨胀，光的波长被拉长，红移，能量降低。

那么问题来了，这些光子的能量去了哪里呢？由于能量守恒，光子能量转移到哪里呢？

宇宙诞生时，有一小部分能量转化为普通物质，即以质量的形式表现出来。这部分能量只占宇宙总能量的5%左右，就构成了我们现在看到的宇宙。我们可以通过化学反应和核反应从物质中获取一些能量。当你烧木头生火时：

• 原来的分子键会被打破并重新形成，木头和氧气会从不太稳定的化学结构转变为更稳定的结构灰分和水蒸气在这个过程中释放能量.

• 如果我们能把燃烧过程释放的能量收集起来，然后用爱因斯坦著名的E=mc^2换算，就会发现生成物的质量和低反应物分子的质量相差非常非常小质量。这种质量差就是释放的能量。

• 事实上，所有形式的能量在反应的每一步都是不变和守恒的。

• 反应前后的质量差异在核反应中更明显，因为核反应释放的能量更大，比如太阳。我们的太阳自诞生以来就通过释放能量失去了土星的质量。

然而，我们发现，虽然宇宙中的光子在膨胀过程中会损失能量，但似乎没有任何东西获得能量（或质量）来补偿这种能量损失。爱因斯坦广义相对论所控制的宇宙时空并不是一个固定的“格子”，而是可以改变的。宇宙空间可以根据其中物质和能量的数量和结构发生弯曲，整个宇宙空间可以膨胀和收缩。.

我们也知道，光子的能量是由波长决定的。如果宇宙膨胀或收缩，光的波长和能量也会发生变化。那么光子能量去了哪里呢？

如果你曾经想过这个，它一定困扰着你，因为我们无法弄清楚能量的去向，我们可以肯定的是，对于宇宙中发生的所有物理过程，能量应该是守恒的.难道广义相对论和空间膨胀违反了能量守恒定律？

• 答案很可能是肯定的！因为广义相对论对很多物理量的定义都很好很精确，但是从来没有提到能量。也就是说，广义相对论没有定义能量，方程中也没有能量守恒的规定。即便如此，我们仍然可以对宇宙膨胀造成的光子能量损失做出合理的认识。

  上图是气体分子在容器内的运动。我们知道，物体的温度是其组成分子随机运动的表现。如果我们继续加热上图中的气体，也就是提高它的温度或内能，那么气体分子运动的速度就会越来越快，它们就会膨胀扩散，占据更多的空间。

  如果我们加热上图中容器中的气体，分子的热运动会加强，移动得更快，它们会以更高的动能撞击容器内部，从而产生额外的正压。容器上部的活塞会被分子压力推出，活塞向上运动会消耗气体分子的内能，即这些气体分子对活塞做了正功。

  这种情况和宇宙膨胀时的情况很相似。光子具有能量，这由其波长的长度决定。当宇宙膨胀时，光子的波长会被拉长，此时光子损失的能量，就像宇宙内部的压力一样，对宇宙本身做正功！

  更准确的说，光子对宇宙做了正功，就像分子推动活塞，失去能量一样。但是，如果我们开始收缩宇宙空间结构本身，就像我们压缩活塞一样，光子会发生什么变化？缩小的宇宙会再次对光子做功，这会使光子再次获得能量。这就像一个压缩的活塞导致气体分子升温。

  失去的能量与恢复的能量一样多。

  所以我们认为随着宇宙的膨胀，光子会失去能量。但这并不意味着能量不守恒。这意味着能量以工作的形式进入不断扩大的空间本身。如果宇宙再次逆转膨胀和收缩，那么宇宙就会反过来对光子做功，这样光子失去的能量就会直接回到光子身上。

  未来量子引力理论的出现和完善，将给我们带来更严格的能量设定，我们将能够真正看到宇宙膨胀过程中能量是否守恒。但在没有严格定义的情况下，我们也可以通过做功对宇宙能量守恒做出正确认识。的确，宇宙膨胀导致光子失去能量，但能量不会永远失去，损失的能量加起来恰好等于宇宙收缩时的能量。