能量不能被创造，那它从哪来？一笔查到宇宙诞生的账（完整文稿）

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你看视频也在耗能。心脏大约每秒跳一次。肺不停吸气呼气。你的大脑约三斤重，它安静时用掉全身约五分之一的能量。就算不动，你也在慢慢发热。一天算下来，一个成年人的能量，等于一百瓦灯泡连亮二十四小时。这是很大的能量。每一分都必有来处。物理学有条规律，在地球上从没被打破过。能量不会凭空出现。不能无中生有。那你的能量从哪来？答案是食物。可这只是又推前一步。食物的能量哪来的？再往前呢？再之前呢？我决定当个案子查。从你体内的能量开始。一步步往回追，追到没路可走为止。线索经过早餐盘、叶子、太阳中心、宇宙最初几分钟，最后到规律开始崩裂的地方。

开始查案。追之前先搞清楚这条规律。十九世纪四十年代，英国酿酒师之子焦耳迷上了热。他做实验：重物下落搅动水箱小桨轮。桨轮一搅，水温就升高一点，量得出来。焦耳发现：热量总跟下落成正比。落两倍远，水就暖两倍。运动和热不是两回事，它们是同一样东西，按固定比例互换。据说他去瑞士度蜜月都带着温度计，想证明瀑布底下的水比上面暖一点。同期，德国科学家迈尔和亥姆霍兹也得出了同样结论。他们的成果合起来，就是能量守恒。在孤立系统里，总能量不会增加也不会减少。能量只会换手。今天能量单位就叫焦耳。一大卡，饼干袋上印的那种。

大约等于四千二百焦耳。最简单的理解：把能量当钱。这国家谁都不能印新钞，连政府也不行。钱可以在账户间转，也能换成别的币，比如欧元换美元。但全国的钱总数不变。能量也一样。运动、热、光、电、化学能，只是不同货币，汇率还是固定的。这就是利器。钱不能印，每块钱都有来路。有人付给你，有人付过他。可以一笔笔往回追账。你的能量我们也要这么查。第一站：你最后吃的东西。就说你最后吃了一碗米饭和一根香蕉。简单，普通，能量满满。可一粒米的能量到底在哪？它不热也不动，看不出在干什么。能量藏在原子排列里。米主要是淀粉，就是长长的糖链。糖分子由碳、氢、氧原子，按特定方式拼在一起。

这种排列加上空气中的氧，存的能量比反应后的排列更多。反应完就是二氧化碳和水。原子从第一种排列换成第二种，差额就放出来。跟点着糖是同一个反应。原子重排，多余能量以光和热涌出。身体也一样，只是小心得多。它不一次闪爆，而是拆成几十小步，在细胞里叫线粒体的小结构中完成。每一步都抓住一点能量，存进叫ATP的分子。按钱的比方，糖分子是大钞。细胞把大钞换成零钱ATP，每次花一点，用在心跳、思考和肌肉收缩上。零钱反复循环，一天造又花的ATP，总重约等于你的体重。你体内的能量来自食物里原子的排列。结案了吗？还早呢。还得问：是谁一开始把原子排成那样？

造糖是要付钱的。吃肉吃蛋也一样，那动物的能量来自它吃的东西。几乎所有食物链追到底，都通向同一个地方：植物。水稻不吃，没嘴也没胃。可它几乎从无到有造出糖。原料便宜到极点：空气里的二氧化碳，土里的水。这正是你用完食物后，呼出和汗里排掉的废分子。它们本身毫无多余能量。要把它们变回糖，植物得付钱。这笔钱来自一亿五千万公里外：阳光。每片叶子里有几百万绿色小结构，装满叶绿素。它很擅长吸收红光和蓝光。绿光抓不住，才被叶子弹回你眼里。叶绿素抓住光，就用它拆开水分子。氢留下用来造糖，氧当废物排进空气。你此刻呼吸的氧气，就是这份废物。

植物用抓住的能量，把二氧化碳和氢拼成糖。就像线粒体的反应倒着来一遍。你的细胞拆糖放能量，叶子造糖存能量。这买卖效率不太高。普通庄稼只留住约百分之一阳光。但阳光太多，无所谓。地球一小时收到的太阳能，约等于全人类一年的用量。还不只是食物。煤是古代森林的遗骸，在地下压了几亿年。石油和天然气多来自靠阳光的小海洋生物。你烧汽油，就是在放出恐龙诞生前落到地球的阳光。风也是太阳能。有的地方晒得更热，空气流动找平衡。连水电站都是太阳能。太阳提水成云，雨水灌满山上水库。几乎每条线索都指向同一嫌疑人。

差一点。好侦探会查例外。地球上有几种能量，从不经过叶子或今天的阳光。第一，核能。核电站烧铀。铀原子裂开时，放出巨大能量。但铀不是地球上造的。它诞生于宇宙最猛烈的事件，比如超新星爆发，还有死星残骸相撞。这发生在太阳系诞生之前。能量早就锁进重原子，我们只是现在才兑现。第二，脚下的热。地心温度约等于太阳表面。一部分热来自深处放射性原子的缓慢衰变。剩下的热是地球形成时留下的，岩石相撞，重力往里挤。火山靠的就是它，还有温泉和地热电站。它甚至养活生命。在阳光照不到的海底，有喷口涌出滚烫的矿物质热水。细菌、蠕虫、螃蟹聚在那里，靠地球内部的化学能量，而不是太阳。第三，潮汐。

月球引力把海水拉出鼓包，地球在下面转。潮汐电站能捕获这运动，但它有隐藏代价。代价是地球自转付的。潮汐像轻轻的刹车，每百年一天长千分之几秒。线索确实绕开了今天的太阳，但指向爆炸的恒星，和聚拢地球的重力。月球和地球来自同一片尘埃云。条条线索都回到恒星和重力。回到最亮的恒星，看看它里面在发生什么。种出米饭的阳光，到达叶子前八分钟离开太阳表面。但表面不是能量产地。能量出自核心深处，逃出来是场噩梦。太阳内部太挤了。能量被吸收，又随机弹向一个方向，再被吸收，反复折腾。核心造出的能量，可能要几万年甚至更久，才能到达表面。

所以今天晒你的阳光，出发时人类还没发明农业。看看核心内部吧。约一千五百万度。压力大到原子被剥光。氢核就是单个质子，被一次次猛烈相撞。质子都带正电，平时互相排斥。但在核心，极少数撞得够狠，能黏在一起。经过一连串步骤，四个氢核聚成一个氦核。这就是核聚变。奇怪来了。称一下出来的氦，比进去的四个氢核略轻。约百分之零点七的质量凭空消失。没消失，是变成了能量。一九零五年，爱因斯坦证明，质量和能量是一回事。这就是著名公式，E等于mc的平方。c是光速，本来就是大数，平方后更是大得吓人。一点点质量，就顶大堆能量。

把一克质量全变成能量，够普通家庭用一千多年。回到钱的比喻。质量是宇宙里最贵的货币。最小一枚也值一大笔光和热，太阳正花得飞快。它每秒把约四百万吨质量变成能量。这炉子是怎么点着的？太阳诞生前，只有一大团冰冷的气体和尘埃。重力往里拉，坍缩中开始升温。就像打气筒压气时会发热。最后中心又热又挤，聚变点火。太阳靠重力点火，用氢当燃料。那下一个问题来了，氢是哪来的？恒星能把轻元素造成重元素，但没有恒星造过氢。氢是原材料。氢从哪来？得回到宇宙开端。

大约一百三十八亿年前，可观测宇宙的一切，挤在一个极热极密的状态里。然后开始膨胀降温。这次膨胀就叫大爆炸。最初宇宙太热，原子根本没法形成，全是能量和粒子的炽热汤。但随着膨胀降温，一切开始安定下来。大约第一秒内，质子和中子形成了。单独一个质子，就是氢原子的原子核。接下来几分钟，整个宇宙热得像恒星核心。一些质子中子聚变成氦。后来宇宙太冷，聚变停了。留下的宇宙，按质量约四分之三是氢，四分之一是氦。今天太空里的比例，几乎还是这样。太阳里燃烧的氢，就是宇宙头几分钟造的。你吃的米饭、细胞里的水，还有你身上的氢，也是。你身体的很多原子，比地球老，比太阳老，比银河系还老。现在梳理全案线索。

早期宇宙的能量，锁进了氢。引力把氢挤成恒星，恒星把质量变成阳光。植物把阳光变成糖，你把糖变成心跳和思绪。每一步都是交易，能量没被创造，只是不断换货币。最后一个问题，早期宇宙的能量从哪来？线索到这里断了。大爆炸理论讲宇宙怎样从又热又密的状态膨胀降温。但它没说之前有什么。如果能量不能被创造，那它好像一直都在。但先别下结论，还有一件事没查。问题本身。为什么我们相信能量不能被创造？焦耳之后几十年，能量守恒只是人们观察到的现象。每次实验都对得上，没人知道为什么。答案出自二十世纪一位数学泰斗，多数人没听过她。她叫埃米·诺特。一九一五年，哥廷根大学请她帮忙，解开爱因斯坦新引力理论的数学。

即便这样，大学多年不让女性用自己的名字授课。她的课都挂在男同事名下。一九一八年，她发表了诺特定理，揭示这条规则到底从哪来。简单说：自然规律在某种变化下不变时，就有一个量守恒。物理定律这里和左边几米都一样，动量就不会被创造或消灭。不管朝哪个方向，定律都一样，角动量守恒。如果今天、昨天、明天的物理定律都相同，能量就守恒。这条最关键。想明白，就反过来想。想象重力每晚变弱，早上又变强。你能钻这个空子。夜里重力弱，你把重石头搬上高架，很轻松，花的能量很少。

早上重力变强，让石头砸到发电机上。它砸得更狠，还你的能量比你花的多。每天重复，就造出凭空产出能量的机器。我们做不到，只因规则不随时间变。午夜的重力和中午一样，钻不了时机的空子，能量总能平衡。这改变了我们看全案的方式。能量守恒不是谁专门写下的定律，只要规则随时间不变，它就自动成立。所以真正的问题不是能量能不能创造，而是宇宙整体随时间不变吗？答案是不。一九二九年，天文学家哈勃发现怪事：几乎所有遥远星系都在远离我们，而且越远的星系，退得越快。不是我们处在大爆炸中心，而是空间本身在拉伸。想象烤箱里发酵的葡萄干面包。每颗葡萄干都在远离别的，不是自己在动，是面团在胀。回想埃米·诺特。

规则和舞台都不变，能量才守恒。可宇宙在膨胀，舞台本身在变。今天的宇宙和十亿年前不一样了，更大更冷更稀疏。所以在整个宇宙尺度上，能量守恒的条件并不成立。影响看得见。宇宙最古老的光，在大爆炸后约三十八万年放出，那时宇宙刚冷到变透明。那时这光是炽热的辉光，像火光。空间拉伸，光波也跟着拉伸。如今波长长约一千一百倍。那场古老的火，淡成了微弱微波，我们从天空各方向都能测到。波长越长能量越少。每份光都失去了大部分能量。能量去哪了？哪都没去，没付给任何东西。没有账户收下这笔钱。再看反例。一九九八年，两个天文团队发现，宇宙膨胀在加速。

推动它的东西叫暗能量。每立方米空间里，能量都一样多。宇宙膨胀，空间变多，暗能量总量一直涨。怎么描述它，物理学家还在争论。有人说，整个宇宙的能量不守恒。也有人说，宇宙总能量根本没法好好定义。但关键点大家一致：每个局部小账都分毫不差。只有整个宇宙，没有一本整齐的总账。按钱的比喻，每家店每家银行都结清账。只是宇宙没有中央账本。这案子还有一个嫌疑人。这是最奇怪的想法。要说清楚，它只是猜想，没被证实。故事从引力开始。两个物体相向坠落，会越落越快。这份动能得有来处。办法就是，给引力记一笔负能量。东西拉得越紧，负能量就越多。想象一个沙滩。你挖个深坑，沙子全堆在旁边。

你堆出个很气派的大沙堆，但没多出一粒沙。堆和坑正好相抵。加起来就是零。有物理学家猜想，宇宙可能也这样。物质和能量是沙堆，一笔巨大正数。把一切拉住的引力就是坑，一笔巨大负数。加起来，总量可能正好是零。如果真是这样，宇宙一开始就不需要能量。它原则上能凭空出现，还不犯规，因为总量一直是零。甚至有一条线索指向这里。精细测量显示，在最大的尺度上，空间几乎完全平坦。在一个简化的膨胀宇宙图景里，如果四散飞开的能量，正好被引力拉回抵消，空间就该是平坦的。物理学家伽莫夫很爱讲这故事。他陪爱因斯坦在普林斯顿散步，提到有同事认为，恒星能凭空形成，引力负能量正好抵消质量。

爱因斯坦吓一跳，愣在路中间，车只好停下避让。一九七三年，物理学家特赖恩在论文里进一步问：整个宇宙，会不会是凭空的一次微小涨落？但这里得说实话。没人证明过宇宙总能量是零。膨胀宇宙的总能量，正是物理学家会吵架的那种计算。就算总量是零，也解释不了规则从哪来。这是条迷人线索，但案子没结。来把整个案卷理一遍。你现在活着的能量来自食物，存在食物原子排列的方式里。植物排好了它们，用的报酬是阳光。阳光由质量变来，在太阳核心，氢聚变成氦时产生。是引力把氢挤到一起，点着了火。而氢本身，诞生在宇宙最初几分钟。

它来自早期炽热宇宙的能量。每一步都没造新的，能量只是换了货币。不过大部分能量溜走了。稻子只留下约百分之一的阳光。太阳大部分光射进虚空，什么都没碰到。你的身体也把吃下的大半变成了热。能量都没消失，只是散成难用的形式。能量不会用完，有用的会。这是另一条物理定律，那是另一个案子。到了边缘，规则变了样。能量守恒来自定律不随时间变。但放在整个膨胀宇宙，这不太成立。确实，早期宇宙的光能量丢了，暗能量一直涨，甚至一切总能量可能加起来是零。能量到底从哪来？在地球，在我们做过的所有实验里，答案很简单：都来自别处。

能量只是传递，从不凭空造。整个宇宙，老实说还不清楚。这不算失败。这是科学最迷人的未解之谜。也许有人会破解，像焦耳破解热，诺特破解规则。他们都从简单问题出发，一路追问到底。下次吃东西时想想这个。这顿饭的能量，经过植物和太阳，还走过一百三十八亿年历史。你不是在造能量，你只是暂时借用，之后传下去。这案子还开着。感谢观看，下期再见。