宇宙膨脹導致的光子紅移過程中光子並沒有損失能量。遠離地球的星球發出的光子頻率會紅移是由於多普勒效應引起的。光子在發出的瞬間相對於地球的頻率就是偏低的，並不是在傳過來的過程中逐漸變低，儘管光子要百億年的時間才能到地球。

光子紅移並不意味著宇宙必然膨脹。因為所有星體.星系都在向其所在的黑洞靠攏，這由星系的旋轉形態可以證明，所以我們觀測的光子必然產生紅移的，不應據此證明宇宙是膨脹的。

首先，宇宙根本就沒有膨脹，哪隻是宇宙區域性空間質量的擴散。其次，能量只是質量間能差的反應，能夠存在守恆的只有質量，而能量並不存在著守恆與不守恆！

宇宙，就如同地球或人體一樣，從形態上看，是一個封閉的個體，有著一個封閉的自迴圈體系，其實，宇宙自身還是一個開放性的，而且是一個全時段全方位全變化性的開放的個體，我們人類所能夠看到的宇宙，不過是一個階段性，區域性性的宇宙，是一個相對“被固化認知”的宇宙，換言之，宇宙是一個全時段全方位全變化性的一體概念，並不是一個有著固定形態的一體或個體，所以，能量本身依然是在這個全時段全方位全變化性的過程中做著互動或“自迴圈”。明白了宇宙的概念，也就不會問“宇宙從哪裡獲得能量或宇宙的能量跑到哪裡去了”的問題了。

如果我們游泳‍♀️，會對外做功；如果我們跑步‍♀️，需要克服風的阻力，也會對外做功；如果我們從擁擠的人群中擠過，同樣也是需要花費力氣的。

如果有人問，我們做的功所產生的能量都到哪裡去了？你一定會感到很可笑。因為，顯而易見，我們耗費的能量轉移到了外部背景空間，即分別被轉移到了水、空氣和人群。

在自然界中，也是如此。沒有任何一個物體是獨立存在的，每一個物體都有一個存在的物理背景。

鳥的背景空間是空氣，魚的背景空間是水，人的背景空間則是人類社會。

那麼基本粒子和光子的物理背景是什麼呢？

由於普朗克常數h的被發現以及該常數的普遍存在，由於所有的粒子都具有波動性，說明粒子的物理背景是由不可再分的量子構成的。

又由於原子的體積是由電子的高速運動所形成的遮蔽效應產生的，所以物質僅只是粒子運動的封閉體系。

綜上所述，在我們的宇宙中，離散的量子構成空間，受到激發的量子成為光子，由高能量子組成的封閉體系就是物質。

因此，作為激發量子的光子是在量子空間傳播的。這就好比是光子在量子海中游泳，光子的能量會部分地耗散到量子空間，從而使光子的能量參量頻率降低，表現為光譜的紅移現象，這就是光的耗散紅移。

很簡單啊！光子離開引力場，必須克服引力場做功，消耗了自身的能量，產生紅移，而增強了引力勢能；反之，光子進入引力場，引力場對光子做功，消耗了引力勢能來增加光子的能量，產生紫移。

答：在引力場中，光子紅移損失的能量，用於克服引力場的勢能。

單個光子的能量和光子頻率有關，光子能量公式為E=hν；光子從恆星表面發出，光子具備動質量，會受到恆星引力場的引力作用，導致光子的能量降低，由於真空中的光速是不變的，所以只能是光子的頻率降低，這種效應就是光子的紅移效應。

恆星引力對光子能量的影響不大，但是一些強引力場的天體，比如中子星、黑洞等等，這種效應就不能忽略了。

在物理學中，光的紅移主要有三種情況，一是引力場造成的紅移，二是狹義相對論效應造成的紅移，三是宇宙膨脹效應造成的紅移。

在引力紅移中，引力場對光子做功，那麼光子能量增加，波長變短，頻率增加；如果光子克服引力做功，那麼光子能量降低，波長邊長，頻率降低。

這時候，光子能量和引力場勢能相互交換；光子紅移的能量，轉化為了引力場中的勢能。

相對論紅移和波動學中的多普勒效應是類似的，在不同參考系中光子頻率不同，光子本身的能量並沒有發生變化。

天文觀測表明，我們宇宙處於加速膨脹的過程中，目前的膨脹速度為67.80(km/s)/Mpc，於是在宇宙中傳播的光線，會因為空間膨脹導致波長變長，我們利用遙遠星系的紅移量，根據哈勃定律就可以估算出星系的大概距離。

在宇宙紅移中，光子傳播到了更廣闊的空間中，所以光子紅移損失的能量，轉化為了空間中光子的整體勢能。

光子並沒有紅移，而是光色紅移，光子本身速度沒有變，只是相對速度改變了，是選擇參照系的不同罷了，。光線紅移有兩種可能，一種是光源在相對我們運動，另一種是我們的眼睛產生的誤差，。我們的眼睛在接收光訊號時，不是單一的與一個光子碰撞，人體組織，神經元細胞，是以分子結構組成的，在接收資訊時，是由一個分子同時與許多光子相碰撞而得到的綜合資訊，這就與光線密度有很大關係，光線密度大的，分子得到的綜合資訊能量就大，神經意識就會對光感有向紫移的趨勢，密度小的，神經意識對光感就會向紅移，這就是為什麼看到早上或傍晚的太陽那麼紅，或者看到遙遠的恆星都紅移。

光子紅移損失的能量去哪兒了？

多普勒頻移是整個無線電波段因發射源移動或者引力影響而產生的重要現象，我們可以根據頻移計算出遙遠的天體是遠離還是接近，甚至是恆星有沒有行星等都可以透過觀察紅移或者藍移後分析得出，但有一個問題似乎從來都沒有人考慮過，大家都很清楚高能射線比如X射線或者γ射線，在極度紅移之後將成為頻率降低波長加大的可見光甚至紅外波段等！頻率降低意味著能量降低，那麼這些能量哪裡去了呢？就直接消失在宇宙中了嗎？

這是一顆接近銀心黑洞時候產生的引力紅移現象，從遠距離的藍白色到最接近時橙黃色，引力的影響是非常明顯的，當然上圖只是事宜，而事實上約確實有如此過程！

一、引力紅移

引力不僅會改變光子的頻率，也會改變光子的傳播路徑，第一次被證明是在1919年5月29日發生的日全食，提前觀測到了本應躲在太陽後的恆星的光，因此證明光線經過大質量天體附近是會產生彎曲現象！

這是質量對周圍空間產生彎曲所致，光認為它走的仍然是直線，其實這個空間已經被附近大質量天體所影響！成為了時空中的一個“漩渦”！，因此從看起來光子經過的空間扭曲程度增加了，光子從這個空間經過時候所付出的代價是波長被引力勢能所拉伸，而這個拉伸程度與附近這個天體的質量成正比，假如這是一個黑洞的話，而光線剛好經過了黑洞視界，那麼很抱歉它可能就出不來了，因為光子攜帶的所有能量都將在黑洞出環繞視界公轉，不會有任何資訊到達我們的觀測裝置中！

當引力對光子做工是，波長就會變短，頻率增加，光子的能量是增加的！

二、速度紅移（比如宇宙膨脹紅移）

這個理解起來似乎要稍稍簡單一些，畢竟引力場是個看不見的空間彎曲度，但速度就只管多了，光源遠離就是波長被拉長，頻率降低，能量降低！反之則增加！

當光源遠離時，波長被拉長，光子的能量轉換成了空間整體勢能，而光源接近時則空間整體勢能表現在光子的頻率增加上！儘管這似乎有些比較難理解，但有一點是肯定的，光子的能量不會憑空消失，也不會憑空產生，它肯定有一個失去和獲得的途徑！而這個途徑在速度紅移上則是本身所依託的空間！

這其實就像春運，思考一下，為什麼華人口14億，平時沒什麼事，一到春運的時候車站非常擁擠，顯得格外熱鬧？很簡單呀，平時人口都平攤到中國城市的各個空間（承載空間大），這時候看著很平靜（密度小能量低），一到春節都往車站擠（承載空間小），就熱鬧了（密度高能量高）。

圖：春運高速變成停車場

宇宙膨脹空間由小變大，能量密度低了，能量總量不變，如果倒放一下宇宙收縮空間由大變小，就如同把光都擠到“車站”去了，能量就高了。

圖：宇宙膨脹，波長變長，紅移

回答到這裡，估計你能理解了，但是實際這題只回答了一半，如果要深入的講，還有一半很難回答，因為現在說的是光子，涉及到“量子力學”波粒二象性，甚至是無法回答，因為涉及到“量子引力”目前人類還無法無法破解，下面由淺入深的講一講：

當單個光子在恆星間穿行數年，當恆星和觀測者之間的宇宙空間膨脹時，它組團的光波，波長會變長，而具體到一個光子本身能量會降低，那它的能量去哪了？

劃重點：很多人可能有一個誤區，認為光波（電磁波）是由大量光子組成的。實際上單個光子也可以形成電磁波，這是“量子力學”中的核心，即波粒二象性。

圖：薛定諤的貓

如果說一束光是大量光子組成，那就可以說是量子形成的波組成。單個光子同時是電磁波也是光子，想一下薛定諤那隻“即死又活的貓”的生死疊加態，同理光子處於“波與粒子的疊加態”，所以當你說到“光子”的時候，實際上它本身也具備波動性。為了理解這裡用一個不太恰當的比喻，當你讓光子從波的狀態顯現為光子的狀態，發現它變“紅”了，但是你沒考慮到單個光子形成的波長其實更長了。

圖：電子雲與電子波粒二象性

關於光子只能說到這裡，因為量子力學還無法相容引力和宇宙膨脹。目前宇宙膨脹，引力都屬於《廣義相對論》範疇，我們目前只能用僅有的現有的、實驗論證過的理論來描述。

老愛《廣相》的發表，惠勒精闢的總結道（說人話）：質量使時空彎曲，時空告訴物體如何運動。然後才有了光會跟隨質量彎曲的時空偏轉，可見時間+空間決定了光的命運。

然而老愛犯了一個錯誤，刪掉宇宙膨脹，宇宙變為靜態。哈勃發現了星系退行的速度與距離成正比，但哈勃只好一口煙，淡泊名利（內心：這事太大了，不能出頭），甩出結果說：你看啊，這是我觀測到的，你們自己看著辦。也不發表結論，然後就沒有然後了，最終神父喬治斯·勒梅特看來是修行沒到位呀，如同發現了寶藏，拉著老愛，哈勃（勸說有福同享），於是有了哈勃定律和宇宙的形態如下圖所示：

圖：宇宙膨脹形象比喻圖

既然時空決定了光的命運，那麼宇宙膨脹了，光也理所當然也要跟隨空間膨脹了，然後波長就長了，才有我們所說的紅移。為什麼要把這個過程講一遍，其實是為了讓你體會時空膨脹的變化，看看上面的格子變化，記住！這很重要，下面還會考。

如果一個罐子中，氣體分子具有大量能量，就像一個人吃了“興奮劑”，它們會瘋狂亂跑，原本一個人站個100平，兩室兩廳就夠了，現在一個操場都裝不下它。

在小的空間中，它們的個體具有的能量高，不斷的碰撞四周，也就是說光子的內壁具有壓強。如果這個罐子具有彈性的，它就會像氣球一樣被吹大。

圖：吹大之後的分子運動

它們吹大容器的過程，就如同用力“推”牆壁的過程，要用力必然要損失能量，也就說“興奮劑”的藥效釋放了出去，對外做了功，比較蔫吧了，再加上現在由一個個“兩室兩廳”，都改為別墅了，所以它們就比較安逸了。

如果你仔細一想會發現這其實和宇宙膨脹很像。宇宙變大了，光子的活動空間大了，所以能量降低了。但是是不是感覺這個理由（藉口）似乎哪裡有點問題？

的確，你很聰明，區別在於光子是被動拉長的。小時候玩沒玩過把不帶針的注射器一頭堵住，然後如同抽血似的使勁抽注射器，就像是在抽真空，針筒裡面原本的空氣分子都可以分配上“五室3廳”，你非要給他們一人整一個操場，這就是光子的寫照。

還有第二個區別，如果你還記得上面那個空間格子，你會發現宇宙膨脹是它變大了。而氣體分子是空間變多了。再舉個例子，氣體分子是100平的公寓換成1000平的操場，而宇宙膨脹是100平公寓並沒有換，而是直接變成了1000平的公寓，如果此時你去看看樓下的操場你會發現它變成了10000平。這能說明什麼呢？

左：氣體的空間變大；右：光子的空間膨脹

光會受空間所影響，空間變長，它也被拉長，原本它有100的能量給了100平的公寓，每平米均攤1的能量，現在公寓變成了1000平，那每平米就均攤到0.1的能量。換而言之，光的能量密度下降了，單位空間上光子的能量低了。

那能量守恆不守恆？原來是1X100=100，現在是0.1X1000=100，即能量守恆。如果宇宙膨脹倒放回去，那麼1000平的公寓，退回100平，那麼單位能量又會變為1。

所以我們不能光看光子“紅”了，而是要看光子是如何“紅”的，說白了就是不要看眼前，要有大局觀。