能量守恒定律是一種基本物理定律，它指出在一個孤立系統中，總能量隨時間推移保持不變。孤立系統與封閉系統有時容易混淆。在熱力學中，孤立系統指的是既不與外界交換能量也不交換物質的系統。例如，一個隔熱良好的熱水瓶可以近似看作一個孤立系統，盡管在現實中并不存在完美的孤立系統。而封閉系統則允許能量的交換，但不允許物質的交換，如一個帶蓋的鍋或一杯茶可以近似看作封閉系統。

在孤立系統中，總能量都保持不變，能量只會從一種形式轉換為另一種形式。例如，當你駕車猛踩剎車時，汽車的動能通過剎車的摩擦轉化為熱能。這種熱能通常感覺不到，因為汽車不是一個孤立系統——熱量會散發到大氣中。但如果你能將汽車的剎車系統、道路和大氣完全隔離，并測量熱量，你會發現汽車的動能幾乎完美地轉化為熱能。

那么，這一定律是否適用于整個宇宙呢？宇宙，作為一切存在的總和，是否可以被視為一個終極的孤立系統？答案并不簡單。要回答這個問題，我們需要考慮從微觀到宏觀的所有尺度。

在微觀尺度上，物體的行為由量子力學描述，這是一門研究從亞原子粒子乃至更小尺度物體的物理學。在量子層面，能量守恒的概念被嚴格定義，這在量子力學中最重要的方程之一——薛定諤方程中得到體現。該方程完全基于能量，表明總能量是動能和勢能之和。根據薛定諤方程，能量是守恒的。這只是其中一個方程，我們也可以調用其他方程，以證明能量在量子力學中是明確守恒的，所以在微尺度上能量守恒是沒有問題的。

在宏觀尺度上，描述地球、太陽和星系等大尺度物體的最佳理論是愛因斯坦的廣義相對論。廣義相對論的核心是愛因斯坦場方程，方程左邊描述時空的曲率，右邊代表時空所包含的物質和能量。在廣義相對論中，物質和能量的分布由能量動量張量描述。從數學上我們可以證明能量動量張量的導數為零，這意味著能量和動量的變化保持為零。

然而，這個等式并不意味著能量本身是守恒的，而是能量和動量的組合是守恒的。廣義相對論告訴我們，如果時空是靜態的，即平坦且不變的，那么能量是恒定的。但如果時空在彎曲和變化，那么動量也在變化，因此能量也在變化。因此，令人驚訝的是，廣義相對論實際上告訴我們，在宇宙尺度上，能量并不守恒。

這一點可以通過幾項觀察結果來證實，首先是宇宙膨脹的觀察。埃德溫·哈勃在1929年提供了第一個證據，他發現宇宙正在膨脹。然后，在1990年代后期，科學家們進一步發現宇宙膨脹正在加速，這種加速的原因被稱為暗能量。

時空擴展的問題在于，真空本身具有能量，如果空間體積在增加，那么能量也在增加。我們知道時空的能量密度是恒定的，但能量密度是能量與體積的比值。如果體積增加，那么總能量也會增加。這似乎表明在宇宙尺度上，能量并不守恒。

另一個證據是紅移的觀測。來自遙遠星系的光經歷了紅移，隨著宇宙的膨脹，光的波長也在增長。根據馬克斯·普朗克的公式E=hν，我們可以將其重寫為 E=hc/λ。因此，如果波長變長，能量就會降低。這意味著光子到達我們時的能量比它發射時要低，這似乎違反了能量守恒定律。但實際上，光子的能量取決于觀察者。從我們的角度來看，光子在其起源和我們之間不斷擴大的時空中失去了能量。

那么，我們知道暗能量在增加，光波失去的能量是否會轉化為暗能量，從而整體守恒呢？這個想法的問題在于，即使考慮了宇宙中所有觀察到的光，它也無法解釋宇宙中暗能量的巨大數量。暗能量幾乎占宇宙總能量的70%，而我們能觀察到的所有物質和光只占大約5%。光的能量損失只是抵消增加的暗能量所需能量的一小部分。

此外，宇宙膨脹還提出了將宇宙視為孤立系統的主要問題。我們不知道宇宙的真正大小，因此無法定義孤立系統的邊界。我們只知道直徑約940億光年的宇宙存在一個事件視界，它標志著我們能夠觀測到的最遠處。處于這個邊緣的星系正在以超過光速的速度遠離我們，這意味著它們之外的光永遠無法到達我們。

這提出了一個問題：如果宇宙之外可能是無限的，那么我們如何將宇宙視為一個孤立系統？如果宇宙是無限的，那么我們無法在其周圍設定任何邊界，因此宇宙不可能是一個孤立系統。即使宇宙不是無限的，它仍然比我們觀察到的940億光年直徑大得多，這使得我們無法確定孤立系統的真正邊界。

在考慮宇宙是否是一個孤立系統時，我們還必須考慮從可觀測宇宙中移出的星系。隨著星系離開我們的可觀測范圍，它們的能量也隨之消失。如果我們只將可觀測宇宙視為一個孤立系統，那么我們顯然正在失去物質，我們也在失去能量。

一些人認為，在膨脹的宇宙中總能量是守恒的，因為他們認為必須將引力場的能量與物質和輻射的能量一起考慮。隨著物體之間距離的增加，它們之間的引力勢能增加，可以被視為負能量。他們解釋說，當你將兩個物體拉開時，你需要消耗能量來克服引力，因此引力勢能必須是負能量。這種不斷增加的負能量可以完全抵消不斷增加的暗能量。然而，與具有恒定能量密度的暗能量不同，宇宙中不存在恒定的引力密度。因此，計算負引力能抵消暗能量的概念實際上是不可能的。

最終，由于廣義相對論清楚地指出能量本身是不守恒的，我們可能需要放棄宇宙尺度上能量守恒的想法，即使這個概念在人類尺度上幾乎完全有效。在我們的日常生活中，能量守恒定律仍然是一個非常有用的工具，但當我們開始觀察非常大的尺度時，它的適用性就會受到挑戰。