宇宙膨脹光發生紅移,光子能量憑空消失了?其實跟「春運」一回事

思考一下，為什麼中國人口14億，平時沒什麼事，一到春運的時候火車站非常擁擠，顯得格外熱鬧？很簡單呀，平時人口都平攤到中國城市的各個空間（承載空間大），這時候看著很平靜（密度小能量低），一到春節都往車站擠（承載空間小），就熱鬧了（密度高能量高）。

圖：春運高速變成停車場

宇宙膨脹空間由小變大，能量密度低了，能量總量不變，如果倒放一下宇宙收縮空間由大變小，就如同把光都擠到「車站」去了，能量就高了。

圖：宇宙膨脹，波長變長，紅移

回答到這裡，估計你能理解了，但是實際這題只回答了一半，如果要深入的講，還有一半很難回答，因為現在說的是光子，涉及到「量子力學」波粒二象性，甚至是無法回答，因為涉及到「量子引力」目前人類無法破解，下面由淺入深的講一講：

當單個光子在恆星間穿行數年，當恆星和觀測者之間的宇宙空間膨脹時，它組團的光波，波長會變長，而具體到一個光子本身能量會降低，那它的能量去哪了？

量子層面

劃重點：很多人可能有一個誤區，認為光波（電磁波）是由大量光子組成的。實際上單個光子也可以形成電磁波，這是「量子力學」中的核心，即波粒二象性。

圖：薛丁格的貓

如果說一束光是大量光子組成，那就可以說是量子形成的波組成。單個光子同時是電磁波也是光子，想一下薛丁格那隻「即死又活的貓」的生死疊加態，同理光子處於「波與粒子的疊加態」，所以當你說到「光子」的時候，實際上它本身也具備波動性。為了理解這裡用一個不太恰當的比喻，當你讓光子從波的狀態顯現為光子的狀態，發現它變「紅」了，但是你沒考慮到單個光子形成的波長其實更長了。

關於光子只能說到這裡，因為量子力學還無法兼容引力和宇宙膨脹。目前宇宙膨脹，引力都屬於《廣義相對論》範疇，我們目前只能用僅有的現有的、實驗論證過的理論來描述。

宇宙膨脹

老愛《廣相》的發表，惠勒精闢的總結道（說人話）：質量使時空彎曲，時空告訴物體如何運動。然後才有了光會跟隨質量彎曲的時空偏轉，可見時間+空間決定了光的命運。

然而老愛犯了一個錯誤，刪掉宇宙膨脹，宇宙變為靜態。哈勃發現了星系退行的速度與距離成正比，但哈勃只好一口煙，淡泊名利（內心：這事太大了，不能出頭），甩出結果說：你看啊，這是我觀測到的，你們自己看著辦。也不發表結論，然後就沒有然後了，最終神父喬治斯·勒梅特看來是修行沒到位呀，如同發現了寶藏，拉著老愛，哈勃（勸說有福同享），於是有了哈勃定律和宇宙的形態如下圖所示：

圖：宇宙膨脹形象比喻圖

既然時空決定了光的命運，那麼宇宙膨脹了，光也理所當然也要跟隨空間膨脹了，然後波長就長了，才有我們所說的紅移。為什麼要把這個過程講一遍，其實是為了讓你體會時空膨脹的變化，看看上面的格子變化，記住！這很重要，下面還會考。

類比

如果一個罐子中，氣體分子具有大量能量，就像一個人吃了「興奮劑」，它們會瘋狂亂跑，原本一個人站個100平，兩室兩廳就夠了，現在一個操場都裝不下它。

在小的空間中，它們的個體具有的能量高，不斷的碰撞四周，也就是說光子的內壁具有壓強。如果這個罐子具有彈性的，它就會像氣球一樣被吹大。

圖：吹大之後的分子運動

它們吹大容器的過程，就如同用力「推」牆壁的過程，要用力必然要損失能量，也就說「興奮劑」的藥效釋放了出去，對外做了功，比較蔫吧了，再加上現在由一個個「兩室兩廳」，都改為別墅了，所以它們就比較安逸了。

如果你仔細一想會發現這其實和宇宙膨脹很像。宇宙變大了，光子的活動空間大了，所以能量降低了。但是是不是感覺這個理由（藉口）似乎哪裡有點問題？

的確，你很聰明，區別在於光子是被動拉長的。小時候玩沒玩過把不帶針的注射器一頭堵住，然後如同抽血似的使勁抽注射器，就像是在抽真空，針筒裡面原本的空氣分子都可以分配上「五室3廳」，你非要給他們一人整一個操場，這就是光子的寫照。

還有第二個區別，如果你還記得上面那個空間格子，你會發現宇宙膨脹是它變大了。而氣體分子是空間變多了。再舉個例子，氣體分子是100平的公寓換成1000平的操場，而宇宙膨脹是100平公寓並沒有換，而是直接變成了1000平的公寓，如果此時你去看看樓下的操場你會發現它變成了10000平。這能說明什麼呢？

左：氣體的空間變大；右：光子的空間膨脹

光會受空間所影響，空間變長，它也被拉長，原本它有100的能量給了100平的公寓，每平米均攤1的能量，現在公寓變成了1000平，那每平米就均攤到0.1的能量。換而言之，光的能量密度下降了，單位空間上光子的能量低了。

那能量守恆不守恆？原來是1X100=100，現在是0.1X1000=100，即能量守恆。如果宇宙膨脹倒放回去，那麼1000平的公寓，退回100平，那麼單位能量又會變為1。

所以我們不能光看光子「紅」了，而是要看光子是如何「紅」的，說白了就是不要看眼前，要有大局觀。