科學人 發行日期:2010/08 刊號:102
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宇宙能量正在流失?

每個學生都知道,能量守恆是最基本的物理定律,但麻煩的是,它似乎並不適用於宇宙整體?
撰文∕戴維斯(Tamara M. Davis)翻譯∕李沃龍

重點提要
■遙遠的星系正隨著宇宙膨脹而遠離我們,它們的光會發生紅移,能量因而降低。
■這似乎違反能量守恆原理,但它其實並未牴觸已知的物理定律。
■依照作者的解釋,個別光子的能量是守恆的,而一般發生於星系內的現象也遵守能量守恆定律。

能量既不能被創造出來,也不能被毀滅。這個「能量守恆」原理,是我們最寶貴的物理定律之一,它支配了我們生活裡的每一個環節:煮一杯咖啡所需的熱、在樹葉裡產生氧的化學反應、地球繞行太陽的軌道、維繫我們心臟跳動所需的食物。我們無法不進食而活著,汽車缺了汽油就無法發動,永動機只是個幻想。所以當某個實驗違反了能量守恆定律,我們當然會覺得事有蹊蹺。當我們的觀測似乎與能量守恆這個科學上最基本的觀念相違背時,會發生什麼事情?

先容我們暫時跳脫地球,考慮更寬廣的宇宙吧。我們對於外太空的資訊,幾乎都是以光的形式取得,根據愛因斯坦的廣義相對論,光的主要特性之一是,當它從遙遠的星系穿越不斷膨脹的宇宙時,會因為電磁波被拉伸而發生紅移。但波長越長,能量就越低。因此,好奇寶寶就會問道:當宇宙膨脹導致光發生紅移,減少的能量到哪兒去了?它是否違反了能量守恆的原理,而無端消失了?

現代物理學早已顯示,當我們遠離舒適的日常生活去深究時間與空間的意義,許多基本假設便會開始崩毀。從愛因斯坦那兒,我們知道「同時性」是會隨著觀測者的地點而變化的幻象;此外,距離與時間的間隔也是相對的。現在,我們也懷疑,看似連續的時間與空間,就像物質平滑的外表,只是掩人耳目的假象。在物理學中,究竟有什麼概念是我們可以真正信賴的?還有哪些我們深信不疑的原理也是一場騙局,矇蔽了我們的心靈、阻礙我們通往更深層的真理?物理學家竟日挑戰已知的現象,殫精竭慮地想辨明:那些問題究竟是因為我們的知識不足,或只是單純的誤解。歷史上,到處可見錯誤觀念的殘骸,而能量守恆呢?它也是一個誤導人心的概念嗎?

非也。就單一光子的尺度而言,能量一直是守恆的,即使光被紅移了也一樣。同樣地,對於發生在我們星系內的現象而言,違反能量守恆是幾乎不可能的,我們珍視的定律仍然屹立不搖。但在宇宙學的尺度中,能量的確是個微妙的概念,而事情也是從這裡開始變得有趣。

對稱與守恆
能量守恆不僅從經驗上得到許多證實,科學家還有更好的理由願意相信它。我們的信心來自德國數學家諾特爾(Emmy Noether),她在將近100年前發現,所有的守恆定律都來自大自然的對稱性,此後能量守恆便擁有了堅實的基礎。

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