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？
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）發射或吸收的光子波長在抵達我們這裡時，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。
【撰文／戴維斯（Tamara Ｍ. Davis）；翻譯／李沃龍】
【完整內容請見《科學人》2010年第102期8月號】
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