宇宙保持能量平衡和能量守恒的秘密是什么？
宇宙的能量平衡与守恒，这绝对是一个令人着迷的话题，让人不禁思考我们身处其中的巨大宏观图景。要理解这其中的“秘密”，我们得先抛开那些冰冷的公式，而是从一个更朴素、更直观的角度去感受它。
想象一下，宇宙就像一个巨大的、无边无际的舞台，而能量就是这个舞台上唯一的“商品”，它永远不会凭空出现，也不会消失无踪，只能是不断地变换着它的形态和角色。这就是能量守恒最核心的体现。
那么，这个“秘密”到底藏在哪里呢？我认为，它主要体现在以下几个方面，并且它们相互交织，形成了一个浑然一体的运行机制：
1. 能量的“化身”：从简单到复杂，再回到简单
我们知道能量有各种各样的形式：光能、热能、动能、化学能、电磁能、核能，甚至还有我们常说的“引力势能”。宇宙之所以能够保持能量平衡，很大程度上是因为能量总是在这些形式之间悄无声息地转换。
比如，我们看到一颗遥远的恒星在发光发热。这光和热，就是它内部进行核聚变反应释放出来的能量。核聚变是将质量转化为能量，这本身就是爱因斯坦的E=mc²的生动写照——能量守恒并没有被打破，只是它以一种我们熟悉的“质量”作为载体，然后转化成了另一种我们熟悉的“光和热”。
又比如，地球上的植物通过光合作用，将太阳的光能转化为化学能储存在有机物中。我们吃植物，这些化学能就进入了我们的身体，转化为我们活动的动能、维持体温的热能。当我们生病或者死亡后，这些能量又会以其他形式释放出来，回归自然。
这个过程就像一个巨大的炼金术，但它不是神秘的魔法，而是宇宙内在的规律。能量从来不是被“消耗”掉，而是“用”掉后，又以另一种形态“出现”。你找不到一个能量的“黑洞”，它就这么凭空消失了，你只会发现它变成了其他东西。
2. 膨胀宇宙的“代价”：一个看似悖论的答案
我知道很多人会疑惑，既然宇宙在膨胀，而且还在加速膨胀，这意味着宇宙在不断地“变大”，那么这个“变大”所需的能量从哪里来呢？这似乎与能量守恒的概念相悖。
这里就要引入一个非常关键的概念：暗能量。
暗能量是宇宙学家们用来解释宇宙加速膨胀的一种假设性的能量形式。它弥漫在整个宇宙空间，并且其密度在宇宙膨胀时似乎保持不变，甚至可能略微增加。换句话说，当宇宙变得更大时，虽然每一单位体积内的暗能量密度可能差不多，但总体积大了，所以总的暗能量也就增加了。
这听起来确实很违反直觉，仿佛宇宙凭空“制造”了能量。但在这里，我们需要重新审视“守恒”的含义。能量守恒并非说“总能量是个固定不变的常数”，而是说“一个封闭系统的总能量保持不变”。
然而，宇宙本身是不是一个严格意义上的“封闭系统”呢？这是一个非常深刻的哲学和物理学问题。
一种普遍的观点是，宇宙可能是一个“相对封闭”的系统，或者说它拥有一个“零总能量”的属性。这里的“零总能量”并不是说宇宙里什么都没有，而是指它所有能量形式的总和，包括我们看到的物质能量、辐射能量，以及那些看不见的暗能量和暗物质，加起来的净效应是零。
怎么理解呢？可以想象一个有正有负的账本。宇宙中的物质能量是“正”的，就像银行的存款；而引力势能，尤其是广阔宇宙空间中的负引力势能，可以被看作是“负”的，就像欠款。爱因斯坦的场方程暗示了一种可能性，即宇宙的总能量（包括物质和引力能）可以为零。
如果宇宙的总能量净值为零，那么即使它在膨胀，并且似乎“增加”了暗能量，整体的“零”值仍然得以维持。膨胀过程中的暗能量增加，可以被解释为负引力势能的增加，它们相互抵消，使得总能量保持不变。
这个想法非常抽象，也还在探索之中，但它提供了一种解释宇宙膨胀而不打破能量守恒的可能途径。暗能量的“秘密”可能就在于它与引力势能之间一种精妙的平衡，使得宇宙的“总账”永远是零。
3. 时间箭头与能量分布
另一个有助于理解能量平衡的方面是“时间箭头”。我们观察到的宇宙总是从有序走向无序，也就是熵增的过程。热量总是从高温物体流向低温物体，最终达到一种热平衡。
看似这是能量在“扩散”和“均匀化”，但这也恰恰是能量守恒的一种表现。能量并没有消失，它只是变得更加分散，更加“无效”于做功了。比如，宇宙整体在冷却，但这个冷却过程本身也是能量转换的体现，热能正在转化为更加弥散的辐射能。
能量的分布和转换，始终受到时间的单向性影响。但即使在这个过程中，总的能量也并没有减少。它只是在宇宙这个巨大的舞台上，以更低的“势能差”状态分布着。
总结一下，宇宙保持能量平衡和守恒的“秘密”，我认为不是某种神秘的力量，而是它内在的、深刻的运行机制：
能量的多样性转换： 能量以无穷无尽的形式存在，并且能在这些形式之间无缝切换，从不损失，也从不凭空创造。
宇宙整体的“零总能量”可能： 如果宇宙的物质能量和负引力势能（以及暗能量的贡献）的总和恰好为零，那么即使宇宙膨胀，也可能维持整体能量的平衡。这是一种非常深刻的洞察，将宇宙的宏观动力学与能量守恒联系起来。
时间箭头下的能量分布： 即使宇宙走向更无序的状态，能量也只是在分散和均匀化，其总量依然保持不变。
所以，与其说宇宙有什么“秘密”，不如说它本身就遵循着一套极其精妙、极其自洽的物理规律。我们之所以觉得它是秘密，往往是因为我们站在一个有限的视角，去理解一个无限的宏大系统。当你深入探索，你会发现那些看似矛盾的现象，背后都隐藏着更深层次的统一和平衡。这才是宇宙最迷人的地方。
想象一下，宇宙就像一个巨大的、无边无际的舞台，而能量就是这个舞台上唯一的“商品”，它永远不会凭空出现，也不会消失无踪，只能是不断地变换着它的形态和角色。这就是能量守恒最核心的体现。
那么，这个“秘密”到底藏在哪里呢？我认为，它主要体现在以下几个方面，并且它们相互交织，形成了一个浑然一体的运行机制：
1. 能量的“化身”：从简单到复杂，再回到简单
我们知道能量有各种各样的形式：光能、热能、动能、化学能、电磁能、核能，甚至还有我们常说的“引力势能”。宇宙之所以能够保持能量平衡，很大程度上是因为能量总是在这些形式之间悄无声息地转换。
比如，我们看到一颗遥远的恒星在发光发热。这光和热，就是它内部进行核聚变反应释放出来的能量。核聚变是将质量转化为能量，这本身就是爱因斯坦的E=mc²的生动写照——能量守恒并没有被打破，只是它以一种我们熟悉的“质量”作为载体，然后转化成了另一种我们熟悉的“光和热”。
又比如，地球上的植物通过光合作用，将太阳的光能转化为化学能储存在有机物中。我们吃植物，这些化学能就进入了我们的身体，转化为我们活动的动能、维持体温的热能。当我们生病或者死亡后，这些能量又会以其他形式释放出来，回归自然。
这个过程就像一个巨大的炼金术，但它不是神秘的魔法，而是宇宙内在的规律。能量从来不是被“消耗”掉，而是“用”掉后，又以另一种形态“出现”。你找不到一个能量的“黑洞”，它就这么凭空消失了，你只会发现它变成了其他东西。
2. 膨胀宇宙的“代价”：一个看似悖论的答案
我知道很多人会疑惑，既然宇宙在膨胀，而且还在加速膨胀，这意味着宇宙在不断地“变大”，那么这个“变大”所需的能量从哪里来呢？这似乎与能量守恒的概念相悖。
这里就要引入一个非常关键的概念：暗能量。
暗能量是宇宙学家们用来解释宇宙加速膨胀的一种假设性的能量形式。它弥漫在整个宇宙空间，并且其密度在宇宙膨胀时似乎保持不变，甚至可能略微增加。换句话说，当宇宙变得更大时，虽然每一单位体积内的暗能量密度可能差不多，但总体积大了，所以总的暗能量也就增加了。
这听起来确实很违反直觉，仿佛宇宙凭空“制造”了能量。但在这里，我们需要重新审视“守恒”的含义。能量守恒并非说“总能量是个固定不变的常数”，而是说“一个封闭系统的总能量保持不变”。
然而，宇宙本身是不是一个严格意义上的“封闭系统”呢？这是一个非常深刻的哲学和物理学问题。
一种普遍的观点是，宇宙可能是一个“相对封闭”的系统，或者说它拥有一个“零总能量”的属性。这里的“零总能量”并不是说宇宙里什么都没有，而是指它所有能量形式的总和，包括我们看到的物质能量、辐射能量，以及那些看不见的暗能量和暗物质，加起来的净效应是零。
怎么理解呢？可以想象一个有正有负的账本。宇宙中的物质能量是“正”的，就像银行的存款；而引力势能，尤其是广阔宇宙空间中的负引力势能，可以被看作是“负”的，就像欠款。爱因斯坦的场方程暗示了一种可能性，即宇宙的总能量（包括物质和引力能）可以为零。
如果宇宙的总能量净值为零，那么即使它在膨胀，并且似乎“增加”了暗能量，整体的“零”值仍然得以维持。膨胀过程中的暗能量增加，可以被解释为负引力势能的增加，它们相互抵消，使得总能量保持不变。
这个想法非常抽象，也还在探索之中，但它提供了一种解释宇宙膨胀而不打破能量守恒的可能途径。暗能量的“秘密”可能就在于它与引力势能之间一种精妙的平衡，使得宇宙的“总账”永远是零。
3. 时间箭头与能量分布
另一个有助于理解能量平衡的方面是“时间箭头”。我们观察到的宇宙总是从有序走向无序，也就是熵增的过程。热量总是从高温物体流向低温物体，最终达到一种热平衡。
看似这是能量在“扩散”和“均匀化”，但这也恰恰是能量守恒的一种表现。能量并没有消失，它只是变得更加分散，更加“无效”于做功了。比如，宇宙整体在冷却，但这个冷却过程本身也是能量转换的体现，热能正在转化为更加弥散的辐射能。
能量的分布和转换，始终受到时间的单向性影响。但即使在这个过程中，总的能量也并没有减少。它只是在宇宙这个巨大的舞台上，以更低的“势能差”状态分布着。
总结一下，宇宙保持能量平衡和守恒的“秘密”，我认为不是某种神秘的力量，而是它内在的、深刻的运行机制：
能量的多样性转换： 能量以无穷无尽的形式存在，并且能在这些形式之间无缝切换，从不损失，也从不凭空创造。
宇宙整体的“零总能量”可能： 如果宇宙的物质能量和负引力势能（以及暗能量的贡献）的总和恰好为零，那么即使宇宙膨胀，也可能维持整体能量的平衡。这是一种非常深刻的洞察，将宇宙的宏观动力学与能量守恒联系起来。
时间箭头下的能量分布： 即使宇宙走向更无序的状态，能量也只是在分散和均匀化，其总量依然保持不变。
所以，与其说宇宙有什么“秘密”，不如说它本身就遵循着一套极其精妙、极其自洽的物理规律。我们之所以觉得它是秘密，往往是因为我们站在一个有限的视角，去理解一个无限的宏大系统。当你深入探索，你会发现那些看似矛盾的现象，背后都隐藏着更深层次的统一和平衡。这才是宇宙最迷人的地方。
网友意见
秘密是人类的一厢情愿。
守恒量是人类制造出来的人工概念，其中有一些被特别挑出来作为“能量”。（细节现在不方便写，不过可以轻松地举例：理论力学中的拉格朗日函数可以导出广义能量）仅此而已。有时候能量守恒看起来很优美，可能是诺特定理的缘故：守恒量与对称性对应。
秘密就是根本没去保持。宇宙不遵守能量守恒，也根本不平衡。
关于宇宙不适用能量守恒定律：
膨胀的时空没有时间平移不变性。能量守恒定律由类时killing场生成，宇宙中没有这种场。宇宙非渐近平直，不能对全时空定义守恒的ADM能量[1]。简单粗暴地对宇宙套用能量守恒定律是不可行的。
按照目前的观测事实，宇宙中存在辐射和暗能量。从早期宇宙形成以来，暗能量在增长，从早期宇宙里几乎不含暗能量的状态发展至现在暗能量占据宇宙总能量的68.3%。 弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规[2]描述了符合观测事实（均匀、各向同性）的四维时空的大尺度结构，度规中随时间变化的尺度因子对应着宇宙空间尺寸的变化。重子物质的能量密度正比于尺度因子的负三次方，辐射的能量密度正比于尺度因子的负四次方，暗能量的能量密度不随尺度因子变化，因此宇宙不适用能量守恒定律。
可以参照：
为什么总有人不相信能量守恒定律？ - 王清扬的回答 - 知乎
关于宇宙非平衡：
根据观测事实，宇宙在膨胀且是个自引力系统，是具有负热容的不稳定系统，没有平衡态。
根据位力定理，对于自引力系统，在一个周期内动能的时间平均值等于总能量的负值，即Ek=-E。也就是说，自引力系统得到能量时动能减小，失去能量时动能增大。
热学中比热容的定义是物体温度每升高1开尔文所需要的热量。
而对于自引力系统来说，释放能量才能提高温度，这就是负的热容量。
负热容系统没有稳定的平衡态。
宇宙是自引力系统，它根本不可能达到平衡态。
这也意味着宇宙无法热寂。
当然，这不是热寂说唯一的死因。量子隧穿和真空虚粒子涨落会导致热寂状态无法对抗时间、必定被打破。如果你要设定量子隧穿和虚粒子涨落不存在，则黑洞会变成无法自然消灭的（其实就算在有霍金辐射的宇宙里，调整黑洞的电荷与质量也能制造出类似的情况，但不会那么夸张），热寂也将无法达到。设定宇宙能够热寂对追求严谨的科幻作品没有任何好处，更不要说科学了。
参考
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