沒有能量，就沒有光明和黑暗。人性和自然也一樣，力量角逐的變化也會有黑暗和光明，千年滄桑的歷史告訴了我們這個道理......

目前已知的是我們可以儘可能的利用光能來做事，比如發電，充電，燒飯等等，黑暗的方面，也有作用，但是作用比較小。

我們看得越遠，我們就越接近大爆炸。

如果你有一個宇宙充滿了東西 - 無論是原子，暗物質，輻射，中微子還是其他東西 - 它幾乎不可能保持靜止。宇宙的結構，至少在廣義相對論中，必須在最大尺度上擴充套件或收縮。但是如果你有一個充滿暗能量的宇宙，就像我們看到的那樣，會發生更麻煩的事情：我們可觀測宇宙中包含的能量總量隨著時間的推移而增加，看不到盡頭。這不違反節約能源嗎？這就是大衛文圖拉想要知道的，正如他所問：

宇宙的總能量正在增加，以致隨著宇宙膨脹，時空固有的能量保持不變。就像，為了建立一個額外的立方公里的時空，你需要這個量子的能量。不多也不少。這種能量必須來自某個地方。在我所知道的其他一切事物中，能量（包括透過 E =mc²的物質）不能只是從無處出現。因此，必須為我們的宇宙提供能量以使其擴充套件。它會永遠停止嗎？

正在發生的事實的實際科學事實比你想象的要麻煩得多。

宇宙的預期命運（前三個插圖）都對應於宇宙，其中物質和能量與初始膨脹率相對抗。在我們觀測到的宇宙中，宇宙加速是由某種型別的暗能量引起的，這種暗能量至今無法解釋。所有這些宇宙都受弗裡德曼方程控制，該方程將宇宙的膨脹與其中存在的各種物質和能量聯絡起來。

在我們的物理宇宙中，有兩個不可分割地聯絡在一起的東西：宇宙的膨脹率和其中存在的所有不同型別的能量的分解。廣義相對論的基本規則是物質告訴空間如何彎曲，而彎曲空間告訴物質如何移動。這是事實，但並不完整。影響空間曲率的不僅僅是物質而且能量，它不僅僅是曲率，而且還受到受影響的空間的膨脹（或收縮）速率。特別是，能量密度決定了膨脹率。

但是宇宙中存在著不同形式的能量，它們各自在膨脹率隨時間變化的方式上扮演著不同的角色。

當宇宙由於其體積增大而膨脹時物質和輻射變得不那麼密集，暗能量是空間本身固有的一種能量形式。隨著新宇宙在膨脹的宇宙中產生，暗能量密度保持不變。

對於像普通物質這樣的東西，其能量貢獻實際上是直觀的。物質由含有質量的粒子組成，即使宇宙發生變化，單個粒子本身也保持不變。隨著時間的推移，宇宙的體積增加，並且隨著時間的推移，總物質密度下降。密度是質量體積：質量保持不變，體積增加，因此密度下降。如果我們在宇宙中所擁有的只是物質，那麼隨著物質密度的下降，膨脹率會下降。

隨著宇宙結構的擴充套件，存在的任何輻射的波長也會被拉伸。這導致宇宙變得不那麼精力充沛，並且使得在早期自發發生的許多高能過程在以後更冷的時期是不可能的。

對於輻射，還有一個額外的元件。當然，輻射也是由粒子組成的，隨著體積的擴大，這些粒子的數密度就像物質一樣減少。但是輻射具有波長，並且該波長被擴充套件的宇宙拉伸。更長的波長意味著更低的能量，因此膨脹率在充滿輻射的宇宙中比在物質充滿的宇宙中下降得更快。

但對於一個充滿黑暗能量的宇宙來

說，故事卻截然不同。暗能量是由空間本身的結構固有的能量引起的，隨著宇宙膨脹，能量密度 - 每單位體積的能量 - 保持不變。因此，充滿暗能量的宇宙將看到它的膨脹率保持不變，而不是完全下降。

宇宙能量密度的各種組成部分和貢獻者，以及它們何時可能占主導地位。如果宇宙弦或疇壁存在任何可觀的數量，它們將對宇宙的擴張作出重大貢獻。甚至可能有我們不再看到的或尚未出現的其他元件！請注意，到目前為止，我們到達今天，暗能量占主導地位，物質仍然有些重要，但輻射可以忽略不計。在遙遠的過去，只有輻射才是重要的。

“堅持下去，”你可能反對，想著，“我以為你說宇宙的擴張正在加速？”

這裡有一個非常重要的觀點，沒有得到足夠的重視：科學家在談到宇宙的擴張時會談到兩件不同的事情。一個是宇宙的膨脹率 - 或哈勃率。這與我們上面描述的完全相同：它對於物質而言是下降的，對於輻射來說它下降得更快，並且對於暗能量它漸漸變為正常數。但第二件事是隨著時間的推移，個別星系似乎很快就會從我們身上消失。

紅移如何在不斷擴充套件的宇宙中發揮作用的例證。隨著星系變得越來越遠，它必須透過不斷擴充套件的宇宙行進更遠的距離和更長的時間。在黑暗能量占主導地位的宇宙中，這意味著個別星系在我們經濟衰退中似乎會加速。

隨著時間的推移，銀河系離我們越來越遠。由於擴充套件速率是每單位距離的速度（例如，70 km / s / Mpc），所以距離較遠的星系（例如，100 Mpc對10 Mpc）似乎會以更快的速度後退（7,000 km） / s vs. 700 km / s）。如果你的宇宙充滿了物質或輻射，那麼膨脹率下降得比你的星系距離增加的速度快，所以淨衰退速度會隨著時間的推移而下降：你的宇宙會減速。然而，如果你的宇宙被暗能量所支配，淨衰退速度將隨著時間的推移而增加：你的宇宙正在加速。

今天，我們的宇宙由約68％的暗能量構成。從大約60億年前開始，我們的宇宙基於其中所有不同事物的平衡，開始加速減速。

黑暗能量的“能量”來自哪裡？

18-08-07 易道禪修 + 關注獻花(0) 收藏

我們看得越遠，我們就越接近大爆炸。

如果你有一個宇宙充滿了東西 - 無論是原子，暗物質，輻射，中微子還是其他東西 - 它幾乎不可能保持靜止。宇宙的結構，至少在廣義相對論中，必須在最大尺度上擴充套件或收縮。但是如果你有一個充滿暗能量的宇宙，就像我們看到的那樣，會發生更麻煩的事情：我們可觀測宇宙中包含的能量總量隨著時間的推移而增加，看不到盡頭。這不違反節約能源嗎？這就是大衛文圖拉想要知道的，正如他所問：

宇宙的總能量正在增加，以致隨著宇宙膨脹，時空固有的能量保持不變。就像，為了建立一個額外的立方公里的時空，你需要這個量子的能量。不多也不少。這種能量必須來自某個地方。在我所知道的其他一切事物中，能量（包括透過 E =mc²的物質）不能只是從無處出現。因此，必須為我們的宇宙提供能量以使其擴充套件。它會永遠停止嗎？

正在發生的事實的實際科學事實比你想象的要麻煩得多。

宇宙的預期命運（前三個插圖）都對應於宇宙，其中物質和能量與初始膨脹率相對抗。在我們觀測到的宇宙中，宇宙加速是由某種型別的暗能量引起的，這種暗能量至今無法解釋。所有這些宇宙都受弗裡德曼方程控制，該方程將宇宙的膨脹與其中存在的各種物質和能量聯絡起來。

在我們的物理宇宙中，有兩個不可分割地聯絡在一起的東西：宇宙的膨脹率和其中存在的所有不同型別的能量的分解。廣義相對論的基本規則是物質告訴空間如何彎曲，而彎曲空間告訴物質如何移動。這是事實，但並不完整。影響空間曲率的不僅僅是物質而且能量，它不僅僅是曲率，而且還受到受影響的空間的膨脹（或收縮）速率。特別是，能量密度決定了膨脹率。

但是宇宙中存在著不同形式的能量，它們各自在膨脹率隨時間變化的方式上扮演著不同的角色。

當宇宙由於其體積增大而膨脹時物質和輻射變得不那麼密集，暗能量是空間本身固有的一種能量形式。隨著新宇宙在膨脹的宇宙中產生，暗能量密度保持不變。

對於像普通物質這樣的東西，其能量貢獻實際上是直觀的。物質由含有質量的粒子組成，即使宇宙發生變化，單個粒子本身也保持不變。隨著時間的推移，宇宙的體積增加，並且隨著時間的推移，總物質密度下降。密度是質量體積：質量保持不變，體積增加，因此密度下降。如果我們在宇宙中所擁有的只是物質，那麼隨著物質密度的下降，膨脹率會下降。

隨著宇宙結構的擴充套件，存在的任何輻射的波長也會被拉伸。這導致宇宙變得不那麼精力充沛，並且使得在早期自發發生的許多高能過程在以後更冷的時期是不可能的。（E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY）

對於輻射，還有一個額外的元件。當然，輻射也是由粒子組成的，隨著體積的擴大，這些粒子的數密度就像物質一樣減少。但是輻射具有波長，並且該波長被擴充套件的宇宙拉伸。更長的波長意味著更低的能量，因此膨脹率在充滿輻射的宇宙中比在物質充滿的宇宙中下降得更快。

但對於一個充滿黑暗能量的宇宙來說，故事卻截然不同。暗能量是由空間本身的結構固有的能量引起的，隨著宇宙膨脹，能量密度 - 每單位體積的能量 - 保持不變。因此，充滿暗能量的宇宙將看到它的膨脹率保持不變，而不是完全下降。

宇宙能量密度的各種組成部分和貢獻者，以及它們何時可能占主導地位。如果宇宙弦或疇壁存在任何可觀的數量，它們將對宇宙的擴張作出重大貢獻。甚至可能有我們不再看到的或尚未出現的其他元件！請注意，到目前為止，我們到達今天，暗能量占主導地位，物質仍然有些重要，但輻射可以忽略不計。在遙遠的過去，只有輻射才是重要的。（E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY）

“堅持下去，”你可能反對，想著，“我以為你說宇宙的擴張正在加速？”

這裡有一個非常重要的觀點，沒有得到足夠的重視：科學家在談到宇宙的擴張時會談到兩件不同的事情。一個是宇宙的膨脹率 - 或哈勃率。這與我們上面描述的完全相同：它對於物質而言是下降的，對於輻射來說它下降得更快，並且對於暗能量它漸漸變為正常數。但第二件事是隨著時間的推移，個別星系似乎很快就會從我們身上消失。

紅移如何在不斷擴充套件的宇宙中發揮作用的例證。隨著星系變得越來越遠，它必須透過不斷擴充套件的宇宙行進更遠的距離和更長的時間。在黑暗能量占主導地位的宇宙中，這意味著個別星系在我們經濟衰退中似乎會加速。（LASC MCNISH of RASC CALGARY CENTER）

隨著時間的推移，銀河系離我們越來越遠。由於擴充套件速率是每單位距離的速度（例如，70 km / s / Mpc），所以距離較遠的星系（例如，100 Mpc對10 Mpc）似乎會以更快的速度後退（7,000 km） / s vs. 700 km / s）。如果你的宇宙充滿了物質或輻射，那麼膨脹率下降得比你的星系距離增加的速度快，所以淨衰退速度會隨著時間的推移而下降：你的宇宙會減速。然而，如果你的宇宙被暗能量所支配，淨衰退速度將隨著時間的推移而增加：你的宇宙正在加速。

今天，我們的宇宙由約68％的暗能量構成。從大約60億年前開始，我們的宇宙基於其中所有不同事物的平衡，開始加速減速。

過去不同時期宇宙中不同能量成分的相對重要性。請注意，當暗能量在未來達到接近100％的數值時，宇宙的能量密度（以及因此的膨脹率）將在任意時間上保持不變。（E. SIEGEL）

但這怎麼可以呢？看起來像充滿暗能量的宇宙不能節約能量。如果能量密度 - 每單位體積的能量 - 保持不變，但宇宙的體積正在增加，那麼這並不意味著宇宙中的總能量正在增加嗎？這不違反能源守恆嗎？

這應該打擾你！畢竟，我們認為能量應該在宇宙中發生的任何和所有物理過程中得到儲存。廣義相對論是否可能違反節能措施？

如果您的靜態時空沒有變化，那麼可以保證節能。但是如果空間結構隨著你感興趣的物體的變化而變化，那麼根據廣義相對論的規律就不再存在能量守恆定律。（大衛校園，MAX PLANCK無線電天文學研究所）

實際上，可能的答案可能是。廣義相對論有很多數量可以做出精確而精確的定義，而能量不是其中之一。換句話說，沒有任何要求必須從愛因斯坦方程中儲存能量; 全球“能量”根本不是廣義相對論所定義的！事實上，我們可以就能量何時儲存而非保守做出非常籠統的陳述。當粒子在時空的靜態背景中相互作用時，能量是真正守恆的。但是當粒子移動的空間發生變化時，這些粒子的總能量就不會得到保留。這對於在不斷膨脹的宇宙中紅移的光子來說是正確的，對於以暗能量為主的宇宙來說也是如此。

但這個答案雖然在技術上是正確的，但並不是故事的結局。當空間變化時，我們可以提出一個新的能量定義; 但是當我們做的時候我們必須要小心。

事實上，有一種非常聰明的方式來看待“能量”，這使得我們能夠證明即使在這種看似矛盾的情況下，能量也得以儲存。我想讓你記住，除了化學，電學，熱學，動力學和勢能之外，還有其他工作。在物理學中，工作是指向物體施加與物體移動距離相同方向的力; 這增加了系統的能量。如果方向相反，你做負面的工作; 這會從系統中減去能量。

當單個分子或原子在封閉容器內移動時，它們在容器壁上施加向外的壓力。當你加熱氣體時，分子移動得更快，壓力也會增加。

一個很好的比喻就是想到天然氣。如果加熱（增加能量）氣體會發生什麼？內部分子在獲得能量時移動得更快，這意味著它們會提高速度，並且它們會更快地擴散以佔用更多空間。

但是，如果加熱封閉在容器中的氣體，會發生什麼呢？

是的，分子升溫，它們移動得更快，並且它們試圖擴散，但在這種情況下，它們經常會進入容器的壁，從而在牆壁上產生額外的正壓力。容器的牆壁被向外推，這需要能量：分子在它上面工作！

提高容器內氣體溫度的效果。向外的壓力可導致體積增加，其中內部分子在容器壁上起作用。

這與擴充套件的宇宙中發生的事情非常類似。如果你的宇宙中充滿了輻射（光子），每個量子都會有一個由波長給出的能量，當宇宙膨脹時，光子波長會被拉伸。當然，光子正在失去能量，但宇宙本身正在透過內部的壓力來完成所有工作！

相反，如果你的宇宙充滿了暗能量，它不僅具有能量密度，而且還具有壓力。然而，最大的區別在於來自暗能量的壓力是負的，這意味著我們遇到了與輻射相反的情況。當容器的牆壁膨脹時，它們正在對空間織物進行工作！

傳統上，我們習慣於擴張，因為它們內部存在積極的（向外）壓力。關於暗能量的違反直覺的是它具有相反符號的壓力，但仍然導致空間結構擴充套件。

......補丁對周圍環境起負面作用，因為它有負壓。假設貼片絕熱膨脹，可以將該負面工作等同於貼片的質量/能量的增加。從而恢復了暗能量的正確狀態方程： P = - ρc² 。所以數學是一致的。

同樣，這仍然不意味著能量得到保護。它只是讓我們以一種智慧的方式來看待這個問題。

有一大套科學證據可以支援不斷擴充套件的宇宙和宇宙大爆炸的影象，並伴有暗能量。遲來的加速擴張並沒有嚴格節約能源，但其背後的推理也很有吸引力。（NASA / GSFC）

這是我為Ask Ethan提出的最深刻的宇宙學問題之一。兩個主要內容如下：

當粒子在不變的時空中相互作用時，必須保留能量。當他們的時空發生變化時，保護法就不再適用了。

如果你重新定義能量，包括正面和負面的工作，透過周圍的一片空間，你可以在不斷擴大的宇宙中拯救能量守恆。對於正壓力量（如光子）和負壓量（如暗能量）都是如此。

但這種重新定義並不健全; 它只是一種數學重新定義，我們可以用來強制節約能源。事實的真相是，在不斷擴大的宇宙中，能量不會得到儲存。也許在引力的量子理論中，它將是。但是在廣義相對論中，我們根本沒有很好的方法來定義它。