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天文|当光子发生红移，能量流向了哪里？

单原子移动时的能量流向了哪里？当他们在恒星之间穿梭 ， 当宇宙在恒星和观察者之间扩展发生红移？当波长变长时 ， 他所带的能量减少 。
毕竟 ， 只要我们对能量有所了解 ， 它是不会凭空产生也不会消失的 。
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当你点燃木头生火 ， 你可能觉着你产生了能量 。 但是实际发生的事却微妙的多：
分子骨架被打破然后再重组 ， 从一个不太稳定的状态（木头和氧气）变成一个更稳定的状态（灰和水蒸气） ， 在这个过程中释放能量 。
如果你注意这些能量释放然后运用爱因斯坦的著名转换理论：E=mc2.你可以发现很小很小的质量与物体和反应物不同 。
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【天文|当光子发生红移，能量流向了哪里？】事实上 ， 大部分的能量以他们的形式存在 ， 包括质量 ， 是不会在发生反应时改变的 。
质量差异在核反应 ， 在太阳中发生变化的事物中的变化会更加明显 。 实际上 ， 如果你要测量太阳从诞生到现在的质量 ， 就会发现在45亿年的发射能量中 ， 已经大约损失了土星的质量 。
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但是有时候 ， 事物似乎能损失能量 ， 不会去获取能量（或者质量）来补偿 。 拓展的宇宙就是这种情况 。 你会发现 ， 新事物之一伴随着爱因斯坦的广义相对理论的概念是宇宙本身是可变的 ， 而不是依存于固定的坐标“网格” 。 宇宙可以并且必须根据内部质量和能量的数量和配置而弯曲 ， 并且宇宙的结构也可以扩展或者收缩 。
不过 ， 最重要的是 ， 任何光子或光粒子的能量都取决于其波长 。 而且 ， 如果宇宙的结构拉伸（随着其扩展）或收缩（随着其收缩） ， 那么该光的波长以及其能量也会发生变化
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【天文|当光子发生红移，能量流向了哪里？】这应该打扰您！毕竟 ， 我们认为在宇宙中发生的所有物理过程中 ， 能量都应守恒 。相对论是否可能违反节能规定？
可怕的答案也许是 ， 实际上 。 广义相对论在很多方面都做出了出色而精确的定义 ， 而能量并不是其中之一 。 换句话说 ， 没有规定必须符合爱因斯坦方程中守恒能量 。能量根本不是由广义相对论定义的！但这并不意味着我们不能为它定义一个；这只是意味着我们必须小心 。
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一个很好的类比是天然气 。 当你向该气体中添加能量（热量）时会发生什么？ 内部分子随着获得能量而运动得更快 ， 这意味着它们提高了速度 ， 并且散开以更快地占据更多空间 。
但是 ， 如果加热容器中的气体会发生什么情况呢？
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是的 ， 分子变热 ， 它们移动得更快 ， 并且试图扩散 ， 但是在这种情况下 ， 它们经常碰到容器的壁 ， 从而在壁上产生额外的正压力 。 容器的壁被向外推 ， 这浪费了能量：分子在上面做功！
这与扩展的宇宙非常非常相似 。 光子具有由波长给定的能量 ， 随着宇宙的扩展 ， 光子的波长会被拉伸 。 当然 ， 光子正在失去能量 ， 但是宇宙内部的一切都在做着自己的工作！
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严格来说 ， 正如我们前面提到的 ， 广义相对论中没有为宇宙本身定义能量 。 但是 ， 如果我们采用宇宙本身的结构并使它收缩 ， 那么其中的光子会发生什么呢？收缩的宇宙将在光子上起作用（而不是相反） ， 并使光子获得能量
多少能量？当宇宙膨胀时 ， 它们损失的正是它 。
所以是的 ， 克里斯蒂安（Christiaan）随着宇宙的膨胀 ， 光子会失去能量 。 但这并不意味着能量不节省 。 这意味着能量以功的形式进入了宇宙的膨胀本身 。 如果宇宙再次逆转膨胀并再次收缩 ， 则该工作将反向进行 ， 并直接回到内部的光子中 。
在更完整的（即量子）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它是否守恒 。 但是在没有严格定义的情况下 ， 我们所能做的就是使用我们必须使用的工具 ， 这些就是我们已经拥有的工具和定义 。 是的 ， 光子会失去能量 ， 但这种能量不会永远消失 。 能量损失（或获得的收益）的总和恰好等于膨胀（或收缩）宇宙中的损失 。
作者: Ethan Siegel Senior Contributor
FY: 么么雅
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