当光子发生红移时，它损失的能量到哪里去了？

“……在各种化学变化中，都不会发生物质损失……在各种物理变化中，都不会发生能量损失。”

——亨利·恩菲尔德·罗斯科爵士

亨利爵士的这段话让我们想到了一个看似非常简单的问题：

单个光子在恒星之间旅行数年，在从恒星到观察者之间的旅行过程中，随着宇宙的膨胀而发生红移，它们的能量

去了哪里？

因为沿途它的波长会扩大，因此它的能量必然会减少。毕竟，如果说我们对能量有什么认识的话，那就是能量守恒定律：能量既不能被创造，也不能被毁灭。

当你燃烧木头生火时，你可能会认为你在产生能量。但实际发生的事情要微妙得多：

· 分子键被断裂和重新形成，从不太稳定的结构（木材和氧气）转变为更稳定的结构（木灰和水蒸气），并在这一过程中释放能量。

· 如果您观察释放的能量并使用爱因斯坦著名的转换公式E = mc^2，您实际上会发现产物和反应物分子的质量之间存在微小的质量差异。

· 事实上，包括质量在内的所有形式的能量的总和在反应的每个步骤中都是不变的。

在核反应之类的事情中，质量差异甚至更加明显，比如在太阳中发生的事件。事实上，如果你测量太阳从诞生到现在的质量，你会发现，在 45 亿年的能量释放过程中，太阳的质量损失大约相当于土星的质量。

但有时，物质似乎会失去能量，而没有任何东西似乎会获得能量（或质量）来补偿。膨胀的宇宙就是这种情况。爱因斯坦广义相对论带来的新事物之一是空间本身是可变的，而不是万物赖以生存的固定坐标“网格”。宇宙可以而且必须根据内部物质和能量的数量和配置而弯曲，宇宙的结构也可以膨胀或收缩。

但问题是，任何光子（或光粒子）的能量都由其波长决定。如果宇宙的结构伸展（膨胀时）或收缩时，光的波长（因此其能量）也会发生变化。

这应该会让你感到困扰！毕竟，我们认为在宇宙中发生的任何物理过程中，能量都应该守恒。广义相对论是否可能违反能量守恒定律呢？

答案可能真的是这样，广义相对论对许多量都做了出色而精确的定义，但能量却不是其中之一。换句话说，爱因斯坦方程并没有规定能量必须守恒；广义相对论根本没有定义能量！但这并不意味着我们不能为它给出定义；这只是意味着我们必须小心。

一个很好的类比是气体。当你给气体添加能量（热量）时会发生什么？气体中的分子在获得能量时会移动得更快，这意味着它们的速度会增加，它们会更快地扩散以占据更多的空间。

但是，如果加热封闭在容器中的气体，会发生什么情况呢？

是的，分子会升温，它们会移动得更快，并试图散开，但在这种情况下，它们经常会撞到容器壁上，从而在容器壁上产生额外的正压力。容器壁被向外推，这会消耗能量，也就是说分子正在做功！

这与膨胀宇宙中发生的事情非常相似。光子具有能量，由波长决定，随着宇宙膨胀，光子的波长被拉长。这当然意味着光子正在损失能量，但宇宙内部所有有压力的物质都在对宇宙本身做功！

严格来说，正如我们之前提到的，广义相对论中并没有为宇宙本身定义能量。但如果我们把宇宙本身的结构拿来并使其收缩，它里面的光子会发生什么？收缩的宇宙会对光子做功（而不是相反），并使它们获得能量。

有多少能量？正好与宇宙膨胀时它们所损失的能量一样多。

所以随着宇宙的膨胀，光子会失去能量。但这并不意味着能量不守恒；这意味着能量以功的形式进入宇宙空间的膨胀本身。如果宇宙逆转膨胀并再次收缩，那么功就会反向完成，并直接回到内部的光子中。

在更完整（即量子）的引力理论中，可能会出现更严格的能量定义，我们将能够真正看到能量是否守恒。但在没有严格定义的情况下，我们所能做的就是利用我们现有的资源，而这些是我们已经拥有的工具和定义来解释这个问题，并给出答案——是的，光子会损失能量，但这种能量不会永远消失；能量损失（或增益）的数量加起来恰好等于膨胀（或收缩）宇宙中的能量。