天文太空

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
2010-08

天文太空

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
2010-08

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。

通常,對稱性就像你在鏡中看到的事物,會呈現出某種反射或旋轉的景象。正三角形是對稱的,因為當你從側邊翻轉它,或把它旋轉1/3周,你會得到完全相同的形狀。正方形也具有對稱性,但你只需把它旋轉1/4周便可得到完全相同的形狀。圓是最具對稱性的二維物體,因為不管你旋轉多少角度,或以任意一條穿過圓心的線為軸進行翻轉,它的外形都保持不變,可展現出所謂的連續對稱性。

同樣,物理定律也是對稱的。時間的流動並不會改變自然定律,若你不斷重複一個實驗(例如以固定角度撞擊撞球),結果會是一樣的。這項特性稱為時間的對稱性。此外,自然定律並不因你所在的位置而改變,因此我們擁有空間的對稱性。自然定律也不會因為你觀看的角度不同而改變(這是旋轉對稱性)。誠然,你所站的位置、所處時刻,以及你的視線方向,都會影響到你看到的景物;但決定景物要如何變化的基本物理定律,則與你的位置、方向和時間無關。物理定律就像圓一樣,當它在任何情況下都保持不變時,我們就說它具有連續對稱性。

諾特爾發現,當大自然展現出連續對稱性時,就會伴隨著能量守恆定律;反之亦然。特別是,空間對稱性要求動量一定得守恆,旋轉對稱性則保證角動量守恆,而時間對稱性則意指能量必然守恆。

因此,當我們說能量是守恆的,就像說物理定律不論在過去或未來都保持不變,是一樣堅實可靠。另一方面,若時間對稱性被破壞,能量守恆也會隨之消逝。我們等一下就會看到,在愛因斯坦的宇宙中,能量守恆就是因此開始遇到麻煩。

光波變長了!

要檢驗現在與過去是否吻合,以測試能量是否在宇宙裡守恆,最好的方法就是透過天文望遠鏡窺看過去發生的完整實況。今天,我們擁有威力強大的望遠鏡,因此得以回溯第一群星系形成的時刻,甚至一探大霹靂本身熱騰騰的餘輝。我們所瞧見的光已經旅行了數十億年,它在整趟旅程中所撞到的第一件東西,就是我們望遠鏡的鏡面。這些光的波長,是我們評估能量守恆的關鍵。

在1920年代,哈伯察覺多數星系的光都紅移了:他發現,除了我們周遭的星系,被原子(例如氫)發射或吸收的光子在抵達我們這裡時,波長會比地球上由相同原子所發射的波長要更長,其拉伸量大致正比於星系的距離。事實上,自從發現此現象後,每當天文學家無法直接測量一個星系的距離時,他們便轉而測量紅移以推得距離的估計值。

紅移(與藍移)也經常發生在地球上。想像一下當你駕車經過警用雷達,在你駛近時,雷達發出的電磁波波長在抵達你時似乎變短了些(假設你看得到);但當你通過之後,電磁波看起來會被拉長了一點。這就是都卜勒效應,當警車鳴著警笛經過時,你會聽到熟悉的音頻發生變化,原理也是一樣的。(透過測量雷達反射波的都卜勒頻移,警察就能知道你是否超速。)雖然上述例子中的波長並不在可見光譜中,物理學家依然將波的拉長與縮短,分別稱為紅移與藍移。

不過,宇宙學上的紅移通常被認為與都卜勒效應不同。都卜勒頻移是由相對運動所引起的,因此光子並沒有損失或得到能量;只不過是你所看到的波長與發光者看到的不同。相對地,大多數廣義相對論或宇宙學的教科書都說,紅移是因為光在行進時,行經的空間如同膨脹的橡膠氣球表面被拉伸了。

事實上,就如以下的想像實驗所示,即便完全沒有相對運動,仍會發生宇宙紅移。假設有個極遙遠的星系和我們的星系之間,繫著一條長鏈,相對於我們,該星系並未移動,但該星系周遭的星系都後退離我們遠去。經過標準的計算之後,該星系的光抵達我們時,仍會被紅移(雖然其周遭跟隨著空間膨脹而遠去的星系,發出的光紅移程度更大)。此紅移一般起因於光所行經的空間擴展延伸的結果。

共動與本動

因此,光子行經膨脹的宇宙時,似乎損失了能量。那麼物質呢?它們是否也會損失能量?當我們描述物質在宇宙中的運動時,會將之區分為兩種不同類型。物體可隨著宇宙的膨脹而後退,就好像當氣球膨脹時,畫在氣球表面上的點會彼此遠離一樣。在宇宙學上,這稱為共動(comoving)。但除了膨脹所引發的運動外,物體還有其自身的運動。這第二種類型稱為本動(peculiar motion),只要物體受到局部效應影響(例如鄰近星系的重力牽引或火箭的推力等)而不隨著宇宙平順地膨脹,物體就會發生本動。

星系自身多少有些本動,但對那些比鄰近星系遠離得更快的遙遠星系而言,它們的本動速度遠小於遠離的速度。在最大的尺度上,由於星系分佈很均勻,可忽略局部效應,因此星系基本上是共動的。它們可視為氣球表面上的點,像豎立於膨脹的空間結構上的旗桿。

像這種由星系所定義出來的共動參考架構,是非常便利的:它給定了一個關於時間的普遍規約,因此所有身處於共動星系中的人,對於大霹靂發生於多久之前會有一致的見解。