相信大家都知道，所谓的能量守恒定律，就是指能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。

但或许你不知道的是，在宏大的宇宙尺度上，宇宙竟然没有遵守能量守恒定律，这是怎么回事呢？下面我们就来聊一下这个话题。

在宇宙诞生之初，第一批光子开始在空间中穿行，它们承载着极高的能量，频率很高，波长很短。经过了上百亿年的漫长旅途，当这些光子终于抵达地球时，它们已经变成了所谓的“宇宙微波背景辐射”。

然而当我们观测到这些光子的时候，这些光子的能量其实是大幅度“缩水”了的。为什么呢？

因为在这上百亿年里，宇宙空间本身一直在膨胀，这些光子在拉伸的空间里穿行，它们的波长就被空间拉长了，而我们都知道，光子的能量与波长是成反比的，波长越长，能量就越低。

这时候，最关键的问题来了：这些丢失的能量去哪儿了？在牛顿经典力学的框架下，你或许能勉强拼凑出一个解释，但在爱因斯坦的广义相对论里，答案非常干脆：这些能量哪儿也没去，它们就是单纯地消失了。

原因简单来讲就是，空间膨胀并不是一种力在推着光子走，而是光子存在的“背景”变了，这就导致了原本定义的能量也就失去了存在的基石。

除此之外，科学家还发现，宇宙不仅是在膨胀，而且是在加速膨胀。

推动这种加速的力量被称为“暗能量”，它有一个奇怪的特性，那就是其密度是恒定的，这听起来非常违背常理，对吧？

通常我们认为，能量扩散开来，密度应该下降才对，但是暗能量却不是这样，因为它是空间自带的某种属性，随着宇宙膨胀，空间变得越来越多，而每一份新生的空间都自带一份等量的暗能量。

这意味着，宇宙中暗能量的总量正随着空间的膨胀而不断增加，也就是说，这些能量就是凭空产生的，完全来自于空间自身的扩张。

由此可见，在宇宙膨胀的背景下，宇宙并没有遵守能量守恒定律。看到这里，你可能会感到一种深深的困惑：难道说物理学不存在了吗？

其实不然，因为科学家已经找到了合理的解释，这就要提到数学家艾米·诺特提出的那个“诺特定理”，该理论指出，宇宙中每一个守恒定律的背后，其实都对应着一种“对称性”。

简单来讲，对称性就是指某种东西变了，但物理规律却没变。比如说你在北京做一个自由落体实验，得出的重力加速度，其实和你在上海得出的实验结果是一模一样的，这说明物理规律不随空间位置的改变而改变，这就叫“空间平移对称性”。

诺特用数学证明了，只要空间是平移对称的，就必然推导出“动量守恒”。

再比如说，你把实验装置旋转90度，实验结果还是不变，这叫“旋转对称性”，它对应的是“角动量守恒”。这些守恒定律并不是宇宙强加给我们的补丁，而是空间本身具备的简洁美所带来的数学必然。

那么，能量守恒对应的是哪种对称性呢？诺特告诉我们，它对应的是“时间平移对称性”。意思就是说，如果你今天的物理实验结果和昨天、明天、后天甚至1000年后的结果都一样，如果物理定律的“背景环境”不随时间流逝而发生变化，那么能量就必然守恒。

在我们的日常生活中，在地球上的实验室里，甚至在整个太阳系的范围内，时空结构在短时间内几乎是静止不动的，时间对称性保持得非常好，所以能量可以认为是守恒的。

但是，当我们把视线拉到宇宙的宏大尺度时，情况就完全变了。

因为宇宙在膨胀，这意味着今天的宇宙和昨天的宇宙在几何结构上是不一样的，并且变化幅度非常大，现在的空间比一秒钟前更空旷，星系间的距离更远，由于背景环境本身就在随时间演化，因此宇宙就在整体上不存在“时间平移对称性”。

既然“时间平移对称性”不存在，那么基于这个前提推导出来的能量守恒定律，当然也就失效了。

总而言之，我们之所以觉得能量守恒，是因为我们人类太渺小了，我们生存的尺度太小，寿命太短，导致我们观察到的时空背景看起来永远是那么的坚固、永恒且不变。