寄送“怪信”是宇宙学家的职业风险。那些坚信自己发展了深奥新理论的爱因斯坦的模仿者,偶尔会把他们那些诘屈聱牙的草稿寄给专业人士。马萨诸塞大学的天文学家爱德华·哈里森对这种奇怪的通信并不陌生,如果不是注意到最近有一封信来自一位名叫查尔斯·莱弗特(Charles Leffert)的退休化学教授,他可能会把这封信当作普通信件忽略掉。哈里森说,你收到很多奇怪的邮件。但这一封却不那么“奇怪”。
莱弗特提出了这样一个问题:在膨胀的宇宙中,如果你用一根绳子连接两个天体——行星、恒星、星系,或者任何东西——会发生什么?哈里森说,这个问题听起来很傻,但却引发了一些棘手的问题。特别是,它似乎表明物理学中最基本的原理之一——能量守恒——与膨胀的宇宙是不一致的。
宇宙学家们对宇宙膨胀的接受程度几乎和物理学家对能量守恒的接受程度一样。这是他们对遥远星系的光被拉伸到光谱的长波、红色端的观测现象的最佳解释,这似乎表明星系正从我们自己的银河系退去。宇宙学家说,星系正被宇宙空间本身的膨胀所携带,而宇宙空间的膨胀始于宇宙大爆炸的爆炸式诞生。
但在《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)6月刊上,一个面向非怪人天文学家的主要论坛上,哈里森详细地用数学展示了莱弗特的问题引发的思想实验如何似乎产生了宇宙膨胀与能量守恒之间的冲突。哈里森很快指出,将宇宙中两个相距遥远的天体连接起来的想法是极其不切实际的。因此,他忽略了连接绳索的质量以及它可能由什么材料制成的细节。物理学家经常使用这种简化的模型,回避现实以专注于潜在的原理。
哈里森说,想象一下两个天体,一个比另一个大得多。(你可以把它们想象成恒星,但恒星有自己的运动,与宇宙膨胀无关。)在较大的天体上放一个绞盘。从绞盘上松开一些绳子,并将其连接到数光年之外的小天体上。会发生什么?随着两个天体之间的空间膨胀,它们将彼此远离,小天体将开始从绞盘上拉出绳子。绞盘会慢慢转动。
很清楚——但这里有一个问题。哈里森说,这个简单的系统是一个永动机:它永远产生能量。随着宇宙的不断膨胀,绞盘会持续转动,系统永远不会停止运转。哈里森说,原则上,你可以给绞盘连接几个齿轮,然后从宇宙的膨胀中提取能量。能量似乎凭空产生——而能量守恒原理的本质是能量必须总是来自某个地方。
当然,如果这些被绳子连接的天体实际上以某种微小的量减缓了整个宇宙的膨胀,就像马车减缓了马的速度一样,那么能量确实会来自某个地方。这就是剑桥大学的天文学家马丁·里斯(Martin Rees)认为正在发生的事情:他说,绞盘获得的能量是以牺牲膨胀为代价的。里斯说,如果哈里森说这是自相矛盾的,那么我认为他是错的。
但哈里森认为里斯考虑问题不够仔细。他说,根据他的计算,宇宙膨胀实际上会加速,你把天体连接得越多,宇宙膨胀的速度就越快。哈里森并不怀疑宇宙正在膨胀。但他认为,思想实验可能指向宇宙中存在某种隐藏的能量来源。
哈里森说,另一种可能性是,能量守恒定律根本不适用于整个宇宙。他说,我们对能量的所有概念都源于对局部现象的认识。在实验室里,我们当然可以定义能量,使其守恒。但是,一旦我们将日常概念应用于整个宇宙,我们就会遇到麻烦。














