P物理学常常令人困惑，但有一个原理似乎坚如磐石:能量守恒定律。世界上有一种叫做“能量”的东西，它的数量永远不会改变。它可以改变它的形式或从一个物体到另一个物体，但它的总量保持不变。从踢得好的足球的弧线到汽车引擎的呜呜声，一切都取决于这条定律。它使能源成为一种宝贵的商品，被计算、储存和争夺。
量子世界是不确定的;诸如能量之类的属性定义不清或模糊。
我们物理学家已经知道，我们的身体不仅使用能量，而且是由能量构成的。爱因斯坦的公式E＝mc2将质量定义为能量的一种形式，它可以被转换成其他形式(比如通过核弹)，也可以由这些形式产生(在粒子对撞机中)。这个公式加强了我们的直觉，即能量是构成事物的基本物质。当人们深入研究物理学时，就会发现守恒定律与对称性密切相关，德国数学家埃米·诺特(Emmy Noether)在近一个世纪前首次发现了这一点。能量是守恒的，因为自然法则在时间上是对称的——它们不随时刻而改变。
但如果物理学不不断质疑自己，它就不是物理学。在爱因斯坦推导出他著名的公式后不久，他开始创立万有引力理论，即广义相对论。节能变得有点冒险。虽然个体观察者可以立即测量他们周围的能量密度，并确认局域系统的总能量保持恒定，但定义一个严格守恒的总能量是不可能的。能够定义一个本地的能源量而不是一个全球的，这听起来可能很奇怪。它是。
O你自己不断膨胀的宇宙就是这种奇异性的一个很好的例子。物质的能量密度与空间的体积成反比递减。例如，星系会相互分离，因此在给定的体积内，它们的数量会减少，这与能量守恒是一致的。但是星光和其他形式的辐射的能量密度会以更快的速度下降。他们的能量消失了。它不会变成其他形式。这是允许的，因为膨胀的宇宙在时间上是不对称的;它的增长有别于过去和未来。因此，广义相对论使能量是构成其他一切的基本物质这一观点难以维持。
这仅仅是个开始。想想另一个颠覆了20世纪物理学的理论，量子力学。量子世界是不确定的;诸如能量之类的属性定义不清或模糊。更糟糕的是，这个理论有一个非常严重的概念缺陷，在回顾能量守恒的最终命运时，必须考虑到这个缺陷。
如果物理学不不断地质疑自己，它就不是物理学。
也就是说，量子力学涉及两个截然不同且互不相容的配方，以确定一个粒子或粒子系统如何在时间中演化。第一个应用于系统不被观察时，第二个应用于系统被观察时。该理论对使用哪一种配方含糊其词。测量或观察的具体组成部分是什么?需要一个有意识的人参与?跳蚤能量尺寸吗?一个病毒?这个问题被称为测量问题，正如许多评论家所指出的，它应该被称为现实问题:理论不清楚什么“存在”独立于我们的感知。
正如纽约大学(New York University)的蒂姆•莫德林(Tim Maudlin)所讨论的，解决这一问题的方法有三种。1一种是加入所谓的隐藏变量——普通量子理论所提供的成分之外——以提供对系统状态的更全面的描述。最著名的例子是德布罗意玻姆理论，该理论假设除了波函数，还有一些粒子具有标准量子形式无法捕捉到的特定位置。波函数只是像牧羊犬一样引导它们。
第二种方法假设了一个随机过程，瓦解了系统的不确定性并消除了它的模糊性。第三个解决方案涉及宇宙的多样性。我们所谓的测量在某种程度上相当于把我们的宇宙分裂成许多分支，一个分支对应着每一个可能的结果。所有这些想法省去了有问题的测量方法。没有一个是没有问题的，但这就是问题所在。
T莫林，墨西哥国立自治大学的伊莱亚斯·奥孔和我开始用这三种方法研究守恒定律的命运。2我们的分析包括一般的考虑以及各种思想实验。
考虑一个标准实验，在这个实验中，一个由几个光子组成的量子系统演化成被称为两条路径“叠加”的典型量子组合。在经典的水平上，这导致了对应于不同能量值的情况。其中一条路径是将光子带到遥远的星系，然后再返回，从而使它们由于宇宙膨胀而失去能量。另一条路径不涉及它们的原始能量的改变。根据量子理论的核心原则，每个光子都有两条路径。
暗能量是一种累积记忆，它记录了宇宙历史上发生的所有违反局部能量守恒的事件。
量子物理学的标准说法是，任何非守恒现象都可以通过考虑测量仪器提供或吸收的能量来解释。我们通过使用另一种量子效应——纠缠——来消除这个选项，让我们可以远程进行测量。
这三种解释方法对能量的变化提供了不同的解释。在自发塌缩理论中，系统经过足够长的时间后，会突然塌缩到某个能量值，导致能量不守恒。在德布罗意-玻姆方法中，任何能量的概念，只要有机会，一般来说都是守恒的，必须同时涉及到粒子和导波函数。波函数被分裂，然后在实验室里重新聚合，聚合时发生的干涉使光子的行为方式使能量不守恒。在多个世界的背景下，世界分裂成的所有分支的平均能量可能会守恒，但在每个分支中，能量不会守恒。从每个分支的角度来看，发生的情况与塌缩理论中一样。
简而言之，我们得出结论，没有一种方案能提供严格守恒系统的全局能量的合理定义。也没有人提出局部能量守恒的概念——这是不好的，因为广义相对论要求局部能量守恒是内在一致的。
要调和量子力学和广义相对论，就需要量子引力理论。物理学家们对这样的理论将会是什么样子有着激烈的分歧，但大多数人都同意一件事:时空的概念将会在基本的量子引力水平上消失。在这种情况下，守恒定律就完全失去了相关性。如果在基本能级上没有时间，你怎么能说一个量不随时间变化呢?
一个在实际层面上，严格节约的偏差预计是很小的，将无助于我们人类面临的具体能源问题。但对许多理论家来说，任何违反都是亵渎神明。不过，这可能是一种补偿。
马赛大学的Thibaut Josset和Alejandro Perez，斯坦福大学的James Bjorken和我已经证明了广义相对论的修正(最初由爱因斯坦自己考虑)允许局部能量守恒的小偏差。３-５这种理论可能为解决现代科学中最大的谜团之一:暗能量提供了一条途径。
暗能量是宇宙的神秘组成部分，约占宇宙总含量的70%，它导致宇宙加速膨胀。根据我们的分析，暗能量是一种累积记忆，它记录了宇宙历史上发生的所有违反局部能量守恒的事件。在考虑的一个特定模型中，预测值与观测值完全自然地匹配。
当然，情况远未得到解决。对这些及相关问题的探索仍处于起步阶段。但是，当我们重新审视一个我们过去认为理所当然的原则时，我们希望继续对它的含义感到惊讶。
Daniel Sudarksy是墨西哥城México国立自治大学的理论物理学家。他专注于爱因斯坦的广义相对论和量子物理学的相互作用，通过关注摩擦点来寻找更深层次理论的线索。
参考文献
1.三个测量问题。Topoi147 - 15(1995)。
2.王志强，王志强，王志强。物理学中守恒定律的地位:对半经典引力的启示。arXiv: 1910.06473(2019)。
3.引用本文:张志强，张志强，张志强，等。基于能量守恒的暗能量。物理评论快报118021102(2017)。
4.张志强，王志强，王志强，等。一种新出现的宇宙学常数的微观模型。国际现代物理学报D27, 1846002(2018)。
5.基于量子引力分离的暗能量。物理评论快报122221302(2019)。
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