宇宙膨胀的能量来自哪里？看完你就知道了

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暗能量是推动宇宙膨胀的原因。

在宇宙学中，能量并不是全局守恒的。能量守恒是诺特定理的结果，它表明“能量守恒原理是时间平移不变性的结果”。因此，能量守恒适用于地球上的所有相互作用，因为地球上所有的相互作用在一个特定的时间和在另一个特定的时间是相同的，这就是时间平移对称性的含义。

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然而，宇宙并不是时间平移对称的。宇宙大爆炸开始于138亿年前的某个时间点，从那以后宇宙不断膨胀和进化。所以宇宙有着独特的历史，在不同的时间里，宇宙在不同的部分看起来并不相同，所以整个宇宙没有时间平移对称性。

例如，宇宙的一部分可以进出我们可观测的宇宙的边界。可观测宇宙的大小取决于光在大爆炸和当前时间之间的传播距离。所以它是一个以光速膨胀的球体，但是物质和能量可以流入我们的球体，这取决于宇宙的膨胀是加速还是减速。例如，从宇宙大爆炸后约10^30秒到大约50亿年前，由于膨胀速度正在减速，越来越多的物质和能量出现在我们可观测到的宇宙的边缘。然而，在大爆炸后的膨胀时期，以及50亿年前开始的当前加速膨胀阶段，物质和能量实际上正在从我们的宇宙中流出。

因此，与其考虑整个可观测的宇宙，不如考虑我们宇宙的一个共同运动的体积。在给定的时间内，共同运动的体积需要一些空间区域，然后计算并跟随这个体积到宇宙演化的早期和后期阶段。例如，考虑选择8个特定的星系，它们在立方体的角处相距几十亿光年。如果你现在来回追踪，那个立方体的大小会改变，那个立方体中的物质总量是恒定的。但是，由于暗能量的存在，立方体的总物质+能量含量并不是恒定的。原因是因为暗能量单位体积的能量密度是恒定的，所以当同运动体积增加时，该体积中的暗能量总量也会增加。

问题很简单：当你认为能量是守恒的时候，有一个原因那就是时间平移不变性。一种奇特的说法是：“粒子和力演化的背景，以及控制它们运动的动力学规则，是固定的，不随时间而变化。”但在广义相对论中，这已经不再是真的了。爱因斯坦告诉我们，空间和时间是动态的，特别是它们可以随着时间而进化。当粒子运动的空间变化时，这些粒子的总能量是不守恒的。

在暗能量的情况下，这种演化相当简单：真空能量在空间中的密度是绝对恒定的，即使空间区域的体积(与星系和其他粒子同时存在)随着宇宙的膨胀而增长。所以总能量上升。

这困扰着一些人，暗能量的概念并不是什么新奇的东西。“辐射”也是如此-像光子这样的粒子以光速或接近光速运动。光子的特点是它们红移，随着空间的扩张而失去能量。如果我们跟踪一定数目的光子，这个数目保持不变，而每个光子的能量减少，因此总能量减少。

一个已经过实验验证的！大爆炸核合成的成功取决于这样一个事实，即我们了解宇宙在最初三分钟内膨胀的速度，而这又取决于能量密度变化的速度。而能量密度几乎都是辐射，因此在膨胀的宇宙中能量不守恒这一事实对于正确预测原始核合成绝对是至关重要的。

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