这是我们宇宙学系列的最后一节课，微波布景辐射中光子的能量去了哪里？
我们知道小时辰的宇宙，它的体积很小，这申明那个时辰的宇宙物质密度很高、辐射所携带的能量也很高。
好比说在宇宙降生后的38万年，光子的能量曾经有13.6电子伏特，对应的温度大约为3000摄氏度，这个温度可以电离中性氢原子。
再好比说，在宇宙降生后只有三分钟的时辰，光子有段时候的能量可以或许达到220万电子伏特，这个能量可以电离最轻的原子核（氘核）。
而此刻，宇宙降生今后的138亿年，微波布景辐射中光子的能量只剩下的零点几个电子伏特，所对应的温度只比绝对零度高了不到3度。
这是咋回事？相信大师都清晰，因为我们的宇宙一向在膨胀，在膨胀的过程中，会对此中的物质和辐射发生一些微妙的影响。
先拿物质来说，跟着空间体积的增大，只要宇宙中的物质总量没有发生转变，那么按照密度等于质量除以体积就能知道，宇宙中的物质密度会一向下降。
若是宇宙逆转膨胀，体积起头变小的话，那宇宙中的物质密度就会起头上升。所以对于物质来说，在一个膨胀的宇宙傍边，没有任何的问题，没有能量缺掉，也就是不存在能量守不守恒的问题。
可是光子就纷歧样了，跟着宇宙的膨胀，光子除了密度会下降以外，波长还会被拉长，我们知道光子的能量跟波长有着直接的关系，波长越长光子的能量就越低，波长越短能量就越高。
所以说，宇宙的体积在变大的时辰，光子的波长也在变大，好比说宇宙体积只有今天的0.01%的时辰，那时微波布景辐射中光子的波长为528纳米，可见光的规模大约是400纳米到700纳米之间，这申明那时的宇宙在我们的肉眼看来就没有暗中的处所，晚上不消开灯啥都能看见。
当宇宙的体积只有今天50%的时辰，光子的波长大约为2.64毫米。而到了今天光子的波长大约为5.28毫米，对应的温度为2.7K。所以说宇宙变冷是因为光子的波长被空间拉长了。但这个谜底并不克不及让所有的人都对劲。
因为若是我们再往下继续追问这个问题的话，就会呈现逻辑上的坚苦，我们知道热力学的第必然律，能量守恒，说的是，能量不会凭空呈现，也不会无缘无故的消逝，只能从一种形当作转换当作别的一种形当作。
若是您此刻把能量守恒定律用在一个膨胀降温的宇宙傍边，若是我们认为宇宙是一个孤立系统的话，那就呈现问题了？
您说，微波布景辐射光子的能量去了哪里？按照能量守恒定律，它曾经那么热，此刻这么冷，这么多的能量不该该会凭空消逝失落，而是会转换当作别的一种形式，所以问题是，它转换到了哪里？
说其实的，这个问标题问题前还真的没有一个看似完美的谜底，因为今朝人类对能量是啥，都搞不清晰，没有一个精确的界说。
好比说，在广义相对论中就没有对能量下界说，并且在相对论的方程中也没有对能量守恒的要求，对能量的理解我们只能找经典物理学，所以说这个问题只能经由过程经典物理学给出谜底。
就算在经典物理学傍边，能量也是一个很是抽象的概念，不外我们仍是把能量划分当作了一些分歧的形式，好比动能，这就好理解了，说的是因为物体活动所具有的能量，还有一个我们也比力熟悉：叫势能，好比引力势能，一个在高处的物体它就具有引力势能。
当然还有一些其他的能量形式，好比说热能、核能、化学能等等这些能量形式。那么在谈论能量的时辰，还有一个概念比力主要，叫做功。
做功的界说是，一个力此刻感化到了一个物体上，而且这个物体还在这个力的偏向上活动了一段距离，我们就说这个力对这个物体做了功。
那功也有正负之分，好比说，在物体的活动偏向上，给物体施加一个力，我们就说这个力对物体做了正功，增添了系统的能量。
那么给物体施加一个和活动偏向相反的力，我们就说这个力对物体做了负功，典型的例子就是摩檫力，它就和物体的活动偏向相反，那么摩檫力做的就是负功，它降低了系统的能量。
可以看出做功是一个能量到别的一个能量改变的过程，好比说，处在山坡上的小球滚入山谷，在这个过程中引力对小球做了正功，势能改变为动能。水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，这是内能转化为了机械能。
好，把握了以上的概念，我们接下来就说，微波布景辐射中的能量去了哪里？
先举个例子，在一个有活塞的容器傍边，若是给此中的气体加热，因为温度的升高，气体分子的活动会加倍的猛烈，这时气体就会膨胀到更大的空间，对活塞做功，就将本身的内能转化当作了活塞的机械能了。相反的，把活塞使劲标的目的下压，也会使得容器内的气体升温，内能增添。
此刻我们把宇宙也形象当作一个容器，里面布满了光子。宇宙此刻在膨胀，光子掉去了能量，我们就可以认为光子就像容器中的气体一样对宇宙做了功，而且是正功，将本身的能量感化到了空间自己，所以它掉去了能量。
假如此刻空间缩短的话，那么空间反过来就会对此中的光子做功，使它能量增添，这就像是我们压缩活塞一样，气体反过来也会升温。
所以我们认为，在一个膨胀的宇宙傍边能量也是守恒的，光子的能量并没有凭空消逝，而是对空间做了正功。
这样的说法也许还能回覆别的一个难题，我们知道空间不竭被创生，但创生出来的空间中又包含了所谓的暗能量，所以说宇宙固然在不竭地变大，可是暗能量的密度并不会下降。
所以这时就有人要问了，不竭创生的暗能量是不是也粉碎了能量守恒定律，刚好，我们此刻就可以认为微波布景辐射中的光子损掉的能量恰是暗能量的来历。这样的话，宇宙依旧会包管能量守恒。
当然还有别的的诠释，我们认为宇宙中的物质彼此吸引具有负势能，好比说，两个物体一起头离得很是远，它们的动能、势能之和为零，可是它俩之间有吸引力，若是让它俩起头接近，最后是动能越来越大，那为了包管它们两个之间得能量守恒，我们就必需认为它俩之间得势能为负能量，并且离得越近势能的负值越大。所以对于引力来说，势能可所以负能量。
那宇宙的膨胀就会增添这种负能量，为了包管能量守恒，所以空间中有了暗能量。这都是一些可能的诠释。
我相信有良多人会对这些诠释不对劲，那就只能期待量子引力理论降生今后，我们对能量有一个加倍严酷的界说，更深一层的熟悉之后，才能知道宇宙在膨胀的过程中是不是能量守恒的。
好了，那今天的内容就到了这里了。这节课竣事今后，宇宙学系列就说完了，但愿对您能有所帮忙。
