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「在各種化學反應中，不會發生物質質量的損失；在所有物理變化中，沒有能量損失。」——亨利·恩菲爾德·羅斯科爵士
上面這段話就是我們宇宙中的一個基本鐵律：能量守恆定律，所說的意思就是，能量不會無緣無故的產生，也不會憑空消失，一定是從一種形式轉化為了另外一種形式。例如我們生活的地球上的主要能量來自於太陽光，而太陽光的產生是太陽核心核聚變通過每秒鐘消耗400萬噸的質量釋放的能量，這些能量通過光子的形式一部分達到地球，為我們提供了生存所必須的光和熱。
除了太陽能，我們的生活也離不開化學能，這是我們人類生產生活的主力能源，但不管能量怎樣產生和被消耗，能量在傳遞的過程中都是守恆的。但是如果你經常看宇宙學的科普文，應該看到或者聽到過這樣的一段描述：宇宙大爆炸以後，空間不斷的膨脹導致了光子失去能量，宇宙持續的冷卻；或者是遙遠的星系發出的光在漫長的空間中穿梭時，由於空間的不斷擴張，導致了光的波長被拉長，出現紅移，能量降低。
那麼問題是，這些光子的能量去了哪裡？既然能量是守恆的，這些光子能量轉移到了什麼地方？
在宇宙誕生時，有一小部分能量轉化為了普通物質，也就是以質量的形式表現了出來，這部分能量只佔宇宙總能量的5%左右，也就構成了我們現在所看到的宇宙萬物。我們可以通過化學反應和核反應的方式從物質中獲取一部分能量，當你燃燒木頭生火的時候：
原本的分子鍵會被打破並重新形成，木材和氧氣會從一個不太穩定的化學結構轉變為一個更穩定的結構灰燼和水蒸氣，在這個過程中就會釋放出能量。如果我們能收集到燃燒過程所釋放的能量，然後用愛因斯坦著名的E = mc^2進行轉換，就會發現在產物和反應物分子的質量之間，有一個非常非常小的質量差。這個質量差就是所釋放出來的能量。事實上，所有形式的能量，在反應的每一步都是不變守恆的。反應前後的質量差異在核反應中更為明顯，因為核反應釋放的能量更加巨大，比如太陽。我們的太陽從誕生到現在已經通過釋放能量，損失了一個土星的質量了。
但是，我們發現宇宙中的光子在膨脹的過程中失去能量的同時，貌似並沒有任何東西因此獲得了能量（或者質量）來補償這個能量丟失。受愛因斯坦廣義相對論控制的宇宙時空不是固定不變的「網格」，而是可以改變的，宇宙空間可以根據其內部物質和能量的數量和結構而發生彎曲，整個宇宙空間可以膨脹了收縮。
我們還知道光子的能量是由波長決定的，如果宇宙空間發生了膨脹或者收縮，那麼光的波長和能量也會發生改變。那麼光子能量去了哪裡？
如果你曾經仔細思考過這個問題，這肯定會困擾你，因為我們找不出能量的去向，而且我們可以肯定的是宇宙中發生所有物理過程中能量都應該是守恆的。難道是廣義相對論、空間的膨脹違反了能量守恆定律嗎？
答案可能是！因為廣義相對論在定義很多的物理量的時候做得很好，也很精確，但從來沒有提到過能量，換句話說，廣義相對論沒有對能量做出定義，方程中也沒有能量守恆的規定。雖然如此，但我們還是能夠對宇宙膨脹導致光子能量的丟失做出一個合理的理解。
上圖是氣體分子在容器內的運動情況，我們知道物體的溫度是組成其分子隨機運動劇烈程度的表現。如果我們給上圖中的氣體繼續加熱，也就是增加其溫度或內能，那麼這些氣體分子運動的速度會越來越快，它們會膨脹擴散開來佔據更多的空間。
如果我們加熱上圖中容器中的氣體，分子熱運動就會加劇，移動得更快，它們會以更高的動能撞擊容器的內部，產生一個額外的正壓。容器的上活塞就會被分子壓力推出來，活塞的上移就會消耗氣體分子的內能，也就是這些氣體分子對活塞做了正功。
這種情況和宇宙膨脹時的情況非常相似，光子具有能量，有其波長的長短了決定，當宇宙空間發生膨脹的時候光子的波長就會被拉長，而光子此時失去的能量，就像是宇宙內部的壓強，對宇宙本身做了正功！
更加準確的說，光子對宇宙做了正功，就像分子往上推活塞失去能量一樣。但是如果我們讓宇宙空間結構本身開始收縮，就像是我們壓縮活塞，它裡面的光子會發生什麼？一個收縮的宇宙又會對光子做功，會重新使得光子獲得能量。就像是被壓縮的活塞導致了氣體分子溫度升高一樣。
其中失去的能量和重新獲得的能量一樣多。
所以我們認為，當宇宙膨脹時，光子失去能量。但這並不意味著能量不守恆；這意味著能量以做功的方式進入宇宙膨脹的空間本身。如果宇宙再一次逆轉膨脹和收縮，那麼宇宙又會反過來對光子進行做功，使得光子失去的能量直接回到光子裡面。
在未來量子引力理論的出現和完善，將為我們帶來一個更加嚴格的能量定於，我們將能夠真正看到能量在宇宙的膨脹過程中是否守恆。但在缺乏嚴格定義的情況下，我們也能通過做功的方式對宇宙的能量守恆做出正確的理解。確實，宇宙的膨脹會導致光子失去能量，但能量不會永遠消失，能量的損失加起來正好等於宇宙收縮時的能量。