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能量守恆定律是一項絕對定律，然而它似乎與我們每天觀察到的事物相悖。火花產生火焰，火焰產生熱量——顯現出之前不存在的能量。電池產生電力。核彈產生爆炸。然而，每種情況都只是能量形式的轉變。即使是看似矛盾的暗能量導致宇宙加速膨脹，我們也會看到，也遵循這條規則。
能量守恆定律，也稱為熱力學第一定律，指出封閉系統的能量必須保持恆定——在沒有外部干擾的情況下，它既不會增加也不會減少。宇宙本身就是一個封閉系統，因此存在的總能量一直是不變的。然而，能量採取的形式卻在不斷變化。
勢能和動能是最基本的兩種能量形式，在高中物理課上很常見：引力勢能是將巨石推上山坡時儲存的能量，準備滾落下來。動能是巨石開始滾動時的運動能量。這兩者之和稱為機械能。熱物體中的熱量是其原子和分子運動的機械能。在19世紀，物理學家意識到運動機器產生的熱量是機器的總機械能轉化為原子的微觀機械能。化學能是另一種儲存在分子化學鍵中的勢能形式。正是這種能量，儲存在你身體的細胞中，使你能夠奔跑和跳躍。其他形式的能量包括電磁能或光，以及核能——原子核力中的勢能。還有很多其他形式。正如阿爾伯特·愛因斯坦著名的E = mc2所展示的那樣，甚至質量也是能量的一種形式。
火是化學能透過化學反應轉化為熱能和電磁能的過程，該化學反應將燃料（例如木材）中的分子與空氣中的氧氣結合，生成水和二氧化碳。它以熱和光的形式釋放能量。電池將化學能轉化為電能。核彈將核能轉化為熱能、電磁能和動能。
隨著科學家們更好地理解了能量的形式，他們揭示了能量從一種形式轉化為另一種形式的新方法。當物理學家們最初提出量子理論時，他們意識到原子中的電子可以從一個能級躍遷到另一個能級，釋放或吸收光。1924年，尼爾斯·玻爾、漢斯·克喇末和約翰·斯萊特提出，這些量子躍遷暫時違反了能量守恆定律。根據物理學家的說法，每次量子躍遷都會釋放或吸收能量，只有平均而言能量才是守恆的。
愛因斯坦強烈反對量子力學違背能量守恆定律的觀點。事實證明他是對的。幾年後，物理學家們完善了量子力學，科學家們理解到，儘管每個電子的能量可能在機率性的迷霧中波動，但在過程的每一刻，電子及其輻射的總能量都保持不變。能量是守恆的。
現代宇宙學在能量守恆方面提出了新的謎題。我們現在知道宇宙正在以越來越快的速度膨脹——被科學家們稱之為暗能量的東西所推動。這被認為是每立方厘米真空空間的固有能量。但是，如果宇宙是一個能量有限的封閉系統，那麼它如何在不創造額外能量的情況下，產生更多的真空空間，而這些真空空間必然包含更多的固有能量呢？
事實證明，在愛因斯坦的廣義相對論中，具有正能量的空間區域實際上會將空間向外推。隨著空間的膨脹，它釋放出儲存的引力勢能，這些勢能轉化為填充新創造體積的固有能量。因此，即使宇宙的膨脹也受能量守恆定律的控制。