能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式！——熱力學第一定律

宇宙大爆炸是我們思維中最難理解的抽象概念。今天的宇宙正在膨脹，這就意味著在過去，物質之間的距離更近，密度更大，溫度更高，其中的輻射粒子（主要說光子）也更具有能量！而今天宇宙只比絕對零度高了不到3K，這也是微波背景輻射的平均溫度。那麼問題來了：曾經那麼熾熱的高溫輻射，能量都去哪了？

我們知道，隨著宇宙的膨脹，微波背景輻射慢慢的冷卻了下來，微波輻射的光子密度在下降，而且光子正在向更長的波長和更低的能量移動。那麼失去的能量去了哪裡？

膨脹的宇宙，物質密度在下降，但能量守恆

隨著空間的膨脹，物質密度會下降，如果空間再次收縮，密度又會開始上升，這一點很好理解！密度就是在給定的空間區域內所擁有的物質數量；質量密度是每體積所包含的質量，數量密度是每體積的數量，而能量密度是每體積的能量。

對於物質，比如原子、氣體、行星、恆星和星系，甚至是暗物質，把它們放在隨時間演化的時空中，如果時空膨脹，密度就會下降，如果時空收縮，密度就會上升。

而物質密度、包括能量密度的變化都是因為空間體積在變化。但總質量保持不變，粒子數不變，總能量也保持不變。在充滿物質膨脹的宇宙中，密度會發生變化，這只是因為宇宙在膨脹。這沒有任何問題，也沒有能量（質量）無緣無故的消失。

但是，在一個同樣充滿輻射的宇宙中，光子不僅密度會下降，而且宇宙體積的變化會發生一件意想不到的事。

空間的膨脹，導致了光的波長變長，失去了能量

光子不僅是粒子（可以像粒子一樣相互碰撞和作用），它還表現為電磁波。更最重要的，定義波的特徵之一就是它的波長，對於光子來說，波長決定了光子的能量。

波長越長，能量越少，波長越短，能量就越多。現在以宇宙目前的大小來說，一個光子從宇宙最初階段開始，到現在遺留下來的能量相當於絕對零度以上的2.725開爾文。我們可以根據這個溫度使用一些基本常數的組合（玻爾茲曼的常數，普朗克常數和光的速度）算出一個光子的波長，結果就是我們發現這個波長大約是5.28毫米，或者說是你的指甲上半月痕的長度。

我們知道宇宙的膨脹可以拉伸光的波長，那麼在過去更小的空間內意味著：

• 當宇宙只有今天一半大小的時候，輻射光子的波長為2.64毫米。

• 當宇宙的大小是今天的10%的時候，光子波長528微米。

• 宇宙的大小只有今天的0.01% ，波長為528納米，屬於可見光波段！

回到越遙遠的過去（宇宙年齡更小的時候）輻射的能量就越高。我們今天從大爆炸看到的微波輻射來自於中性原子形成的時期，也稱為最後散射的宇宙表面。

這就解釋了為什麼宇宙在過去沒有中性原子（微波背景輻射發出的地方)，沒有原子核（因為原子核也會被高能輻射電離），連質子和中子也會被高溫分離成夸克-膠子等離子體，甚至在更早的時候，宇宙中充滿了高能伽馬射線，兩個光子會自發地產生奇異的物質-反物質對。

這也解釋了為什麼今天剩餘的輻射會一直向微波波段移動。這些都是來自大爆炸模型的簡單、基本預測。

那麼膨脹的宇宙中，光子失去的能量去了哪裡？

如果今天的輻射能量更低，就會產生一個困擾。不是說能量守恆嗎？如果現在能量變少了，那不就意味著能量已經隨著空間膨脹損失掉了，因此不再守恆了嗎？（其實嚴格說來，在廣義相對論中，沒有能量的定義，但我們也不需要用這樣的藉口來逃避這個問題。）

這種輻射能量並不像我們想像的那樣「消失了」；下面我們來做一個類比。想像一個氣球，我們把它吹大，然後把口綁起來，氣球充滿了氣，並且和周圍的環境保持平衡。我可以測量整個氣球系統中空氣的總能量。

然後我們將氣球浸入77k的液氮中。液氮會直接從氣球中的空氣分子中吸收熱量，氣球的體積就會下降。

這是因為空氣分子對氣球施加了一個向外的力，使氣球壁不向內塌縮，當空氣失去能量時，施加的向外的力就會不足，氣球壁向內移動。現在，我們把氣球從液氮中拿出來，氣球內的空氣就會在周圍的空氣中重新獲得能量，同時向外施加足夠的力，把氣球壁推開撐圓。

現在我們在說一些做功的概念！當一個物體朝某個方向或相反方向運動時，我們向某個方向給物體施加一個力，所產生的有效距離就是我們對這個物體所做的功，這就是做功的物理概念。當物體向內運動時，我們向外推，力和運動方向相反做的就是負功，也就是說我們把能量從系統中帶走了。當物體向外運動時，我們向外推，力的方向和運動方向相同做的就是正功，也就是說我們給系統增加了能量。結合上面的氣球失去能量變憋、獲得能量變圓，這就是力、距離、做功最簡單的例子。

總結：宇宙微波輻射失去的能量轉移到了宇宙本身

在膨脹的宇宙中，光子的作用就像氣球里的空氣：光子向外推，而宇宙向外膨脹，光子對宇宙做了正功。光子也就失去了能量，但能量以完全可逆的方式轉移到了宇宙本身！換句話說，如果宇宙重新收縮，光子注入宇宙的能量將直接返回到了光子。

那麼現在來回答這個問題！在膨脹的宇宙中光子的能量去了哪裡？答案是：來自光子的能量給宇宙的膨脹做了正功，並將其傳遞到宇宙本身。對宇宙整體來說，能量依舊是守恆的。