暗能量密度保持不变，而宇宙体积在不断膨胀，那总能量还守恒吗

1924年，美国天文学家埃德温·哈勃向世人宣告，他证明了 银河系和宇宙不是相同的概念，在银河系外还有大量的河外星系 。5年后，在对河外星系的红移进行观测的过程中，哈勃得出了宇宙在膨胀的结论。哈勃还指出：星系远离我们的速度和它们与地球的距离成正比，由此提出了著名的 哈勃定律 ：退行速度=距离*哈勃常数。

时至今日，宇宙膨胀的说法已经深入人心。科学家还因此提出了 宇宙大爆炸理论 ，认为宇宙诞生于138亿年前，并且一直膨胀下去。

可是，大爆炸宇宙论刚刚提出的时候，很多科学家提出了质疑： 如果宇宙来自于一个奇点，它的体积如此之小，但质量如此之大，那么在大爆炸的一瞬间就会在无限大的引力作用下收缩起来，根本不可能膨胀到今天这么大 。

后来，科学家提出了暗能量的说法，指出有一种人类未知的能量，不与任何可见物质发生反应，所以难以被观测。但是，它却可以为宇宙提供斥力，导致宇宙持续膨胀甚至很有可能在加速膨胀。根据标准宇宙模型， 可见物质仅仅占了宇宙总质量的4.9%，暗物质占了26.8%，而暗能量占了68.3% 。正是在暗能量的作用下，我们的宇宙仍在不断膨胀，丝毫没有停止的迹象。

更奇怪的是，当我们用不同的方法测量宇宙膨胀速度的时候，得到的结果竟然也不一样。也就是说，科学家计算的哈勃常数有着较大的差异。那么，问题究竟出在哪里呢？

目前来说，有两种“工具”经常被用来探测宇宙的膨胀速度，一个是 星系的红移 ，另一个是 宇宙微波背景辐射 。

这其实就是哈勃提出哈勃定律时的方法，也就是说，只要我们观测到遥远星系的距离，然后计算出它们的退行速度，就可以计算出哈勃常数。

退行速度不难计算，通过红移值就可以推导；至于星系的距离，科学家通常利用“宇宙标准烛光”—— Ia型超新星 来计算。这种超新星的特点就是 亮度固定，只要看看它们的视觉效果，再和理论上的亮度对比进行换算，就能推导出它的距离 ，这也是它所在的星系与我们的距离。

宇宙微波背景辐射是20世纪60年代四大天文发现之一，对于今天人类对于宇宙的研究有着重要的意义。我们通常称之为 宇宙大爆炸的余辉 ，因为它就是在宇宙形成初期留下的。由于其温度在 3K 左右，所以人们又称之为 3K背景辐射 。

但是，这个温度并不是绝对一致的。在宇宙的不同位置，这个温度也有着非常微小的变化，而这个波动幅度就是受到了宇宙膨胀速度的影响。通过欧洲航天局的 普朗克卫星 ，我们计算出了宇宙的膨胀速度。

原本科学家希望这两种毫不相关的方法得出相同的结果，从而互相验证。然而令人尴尬的是，偏偏结果不遂人意，普朗克卫星给出的哈勃常数是 67-68（km/s）/Mpc （Mpc：百万秒差距，约合326万光年），而Ia型超新星观测给出的数据是 71-75（km/s）/Mpc 。

由于以前的观测不够精确，科学家利用两个方法计算出来的数据范围都非常大，因此二者会有一些重叠。但随着人类观测能力不断提升，两种方法得出的数据越来越精确，竟然偏离了重叠部分，呈现出完全不同的两个结果。这并不是说暗能量的假设是错误的，只是告诉我们： 关于暗能量，还有很多我们完全未知的理论等待我们发现 。

科学家指出： 我们之所以面临这个困境，就在于这两种方法都是基于一些假设或者说理想情况下进行计算的 。其中一个，就是科学家假设宇宙是平坦的。爱因斯坦告诉我们，空间并非是完全平坦的，而是在某些特殊情况下会发生扭曲。而普朗克卫星的数据也证明，宇宙中的确有一些区域会发生细微的扭曲。在经过这些区域的时候，Ia型超新星的光也会随着空间的扭曲而出现轻微的偏折，这就有可能导致我们观测数据的偏差。

解决这个问题最好的办法，就是寻找更多测量宇宙膨胀速度的方法来进行验证，让“公平的第三方”来判断谁对谁错。这个第三方，就是 重子声波振荡 （BAO）。重子声波振荡指的是宇宙形成初期光子和电子、重子等耦合形成一种 “等离子体—光子”流体 ，经过一系列复杂过程导致的物质密度在不同区域的变化，最终形成了宇宙中密集的超星系团和这些超星系团之间巨大的空洞。而这些空洞，可以帮助我们计算哈勃常数。

最近，国外的一支科学团队利用重子声波振荡对一些星系团做了全面的观测，发现了一些有趣的事情。

观测结果显示，宇宙在这些空间上确实是平坦的。既然空洞的结构既取决于暗能量，也取决于空间的整体形状，那么在排除了宇宙曲率的因素之后，剩下的选择自然就是最终的答案。这告诉我们：暗能量确实是存在的，毋庸置疑。而他们利用重子声波振荡计算出来的哈勃常数，为 70-74（km/s）/Mpc ，这和此前科学家利用Ia型超新星计算的结果高度一致。

这不是说普朗克卫星的结果就是错误的，这次发现的有趣之处正在于此：刚才的那个数据来自于红移值z<2的星系，也就是距离我们不足90亿光年的那些星系。当他们对更加遥远的星系进行观测和计算的时候，哈勃常数就变成了 68-70(km/s)/Mpc ，与普朗克卫星给出的结果差别极小。

这对于我们来说是个好消息，这意味着暗能量的理论仍然成立，我们不需要建立新的理论。只不过，我们对于暗能量、对于宇宙膨胀的理解还远远不够。不论是暗能量还是宇宙的膨胀，说到底都指向着宇宙最终的命运。宇宙到底会永远膨胀下去，还是会有一天开始收缩，还要等待科学家们进一步的研究和发现了。

仰望头顶的星空，才能知道自身的渺小，不知道你在仰望星空时会不会有这样的感觉？宇宙有多大，人类现在并不清楚，天文学家给出的930亿年不过是可观测宇宙的大小，在它的外面，还有不可观测宇宙。对我们来说那就是神秘地带，我们对它一无所知。可观测宇宙的大小也不是固定的，它还在膨胀。

哈勃常数就是宇宙膨胀的速率，科学家在创造它时信心满满，建立宇宙标准模型就靠它了。之后又测量了周边几个星系，得出的结果却让他们感到意外，哈勃常数并不适用，宇宙的膨胀速率比我们预想的还要快。事物都有两面性，对宇宙自身来说，膨胀是件好事，对我们来说就不是了。

越来越辽阔的宇宙空间让我们探索宇宙变得困难，打破光速极限理论有多困难，有点科学常识的人都知道。即便快如光速，在宇宙面前也有施展不开的时候，迄今为止，我们观测到的最遥远的星系距离地球约131亿光年。有些遥远天体散发出来的光芒，我们至今都没有观测到。也有可能它们已经被分解成了自由光子，成了宇宙微波背景辐射。

事情比我们预想的还要糟糕，可观测宇宙的边缘，膨胀速度已经超过了光速。换而言之，一束光达到了自身的极限速度，它都没有办法到达宇宙的边缘，宇宙的膨胀比它还要快。未来的宇宙空间，太阳系和其他天体的距离会越来越远。人类对宇宙的探索，也将局限于太阳系内，膨胀的宇宙“锁死”了我们的活动空间。

不要觉得这不可能，爱因斯坦早就看到了这一结局，不然他也不会提出光速极限理论。打破不了光速的限制，以后就别想着进入星际时代了。曲率飞行和虫洞，还是科幻小说里面的概念，到底有没有都不知道。与其把希望寄托在它们身上，还不如多想想办法去寻找新型材料。能否打破光速的限制，新型材料是个突破点。

另外，我们还可以从“宇宙膨胀”这一方面寻找突破口，宇宙高速膨胀的原因无非就是当初大爆炸时，产生的“扩张能量”，暗能量就是其中之一。暗物质和暗能量才是宇宙的主体，我们所观测到的物质的质量，还不到宇宙总质量的十分之一，剩下的都是暗能量和暗物质。

它们看不见，也没有办法看见，只能从侧面去寻找它们。科学家们的目标是掌握并利用暗能量，换句话来说，暗能量可能会是我们突破光速的手段。这种灵感就源自于暗能量本身，既然它可以推动宇宙膨胀，那就说明这是一种“动力”。把动力的原理和使用方法搞清楚，就能掌握使用方法。

而且还不用担心动力会枯竭，按照现有的科学理论，暗能量几乎是取之不尽用之不竭的，宇宙空间中随处都有，我们看不见不代表它不存在。

大道五十，天衍四九，还剩下了一线生机，这是古人对事物的认知。放在宇宙中也一样，不断膨胀的宇宙确实“锁死”了我们，但也留下了“一线生机”。想打破封锁，就得突破光速。科学理论还在发展，我们对宇宙的认知还处于浅薄的层次，很多事物我们想不到。以后就不一定了，人类进入现代文明社会的时间并不长，就有了这么多的成就，相信我们一样能突破封锁！

如果能量密度（每单位体积的能量）保持不变，但宇宙的体积却在增加，这难道不意味着宇宙的总能量在增加？这不是违反了能量守恒定律吗？毕竟，我们认为在宇宙中发生的任何物理过程中，能量应该是守恒的。广义相对论是否提供了一种可能的能量守恒？这个问题的答案可能是正确的。在广义相对论中，有一些东西是可以精确定义的，而能量并不是其中之一。换句话说，没有任何规则规定能量必须与爱因斯坦的方程相结合；全球 "能量 "并没有被广义相对论所定义!

实际上，你可以对能量何时守恒做一个非常概括的陈述。当有粒子在静态的时空背景中相互作用时，能量是真正守恒的。但当粒子所处的空间发生变化时，粒子的总能量就不守恒了。对于膨胀的宇宙中的红移光子，以及由暗能量主导的宇宙来说，这都是真实的。宇宙中的暗能量密度保持不变，宇宙不断膨胀，能量守恒是否失效？但这并不是故事的结束，我们可以随着空间的变化提出一个新的能量定义。有一种非常巧妙的方式来看待 "能量"，使我们能够表明能量事实上是守恒的，即使在这种看似矛盾的情况下。

我希望你记住，除了化学、电、热、动能、势能和其他东西之外，还有主动做功。在物理学中，功是指当一个物体受到的力与它移动的距离方向相同时，给系统增加能量。如果它向另一个方向移动，你就做负功，这就减少了系统的能量。一个很好的比喻是思考气体，如果你把它们加热（增加能量）会发生什么？随着分子获得能量，里面的分子移动得更快，这意味着它们的速度加快，然后散开，以更快的速度占据更多的空间。