Fotones en el espacio en expansión: ¿cómo se conserva la energía?

Question

Si un fotón (paquete de ondas) se desplaza al rojo (se estira) viajando en nuestro universo en expansión, ¿se reduce su energía?

Si es así, ¿a dónde va esa energía?

Answer 1

Como dices que hablas de lo que ocurre localmente (en un volumen pequeño), te contestaré desde ese punto de vista. La formulación habitual de la conservación de la energía en un volumen de este tipo es que la energía se conserva en un sistema de referencia inercial . En relatividad general, no hay marcos de referencia verdaderamente inerciales, pero en un volumen suficientemente pequeño, hay marcos de referencia que son aproximadamente inerciales a cualquier nivel deseado de precisión. Si restringes tu atención a tal marco, no hay corrimiento al rojo cosmológico . La energía del fotón cuando entra por un lado del cuadro es la misma que cuando sale por el otro. Así que no hay problema con la conservación de la energía.

El fracaso (aparente) de la conservación de la energía sólo se produce cuando se consideran volúmenes demasiado grandes para ser abarcados por un único sistema de referencia inercial.

Para ser un poco más precisos, en algún pequeño volumen $V=L^3$ de un Universo genérico en expansión, imagina construir la mejor aproximación posible a un marco de referencia inercial. En ese marco, los observadores cercanos a un borde se moverán con respecto a los observadores cercanos al otro borde, a una velocidad dada por la Ley de Hubble (a orden principal en $L$ ). Es decir, en dicho marco, el corrimiento al rojo observado es un corrimiento Doppler ordinario, que no causa problemas con la conservación de la energía.

Si quieres más detalles, David Hogg y yo escribimos sobre esto con bastante extensión (¡quizás incluso excesiva!) en un artículo de AJP .

Answer 2

Va a trabajar para expandir el universo contra las fuerzas de la gravedad y la inercia. Es como la expansión adiabática de un volumen de gas: el gas se enfría a medida que aumenta el volumen. ¿Adónde va la energía?

Answer 3

Esta respuesta pretendía permanecer en esta pregunta .

La conservación de la energía es (solía ser) una piedra angular en el marco de la física. Sin ella cualquier cosa puede ocurrir.

Veamos cómo se puede conservar la energía.

Las galaxias se mueven arrastrado por la expansión espacial. Cuando los átomos están en movimiento, el efecto doppler desplazará los espectros de los fotones emitidos, como @anna answer mostró en el enlace anterior.

La relación de masas protón-electrón, $\frac{m_e}{m_p}$ se ha medido constante a lo largo de la historia del universo, pero nada se puede decir de la constancia de la masa del electrón (a los que votan en contra: se agradece una referencia).

La energía del fotón obedece a la relación de Sommerfeld, $E_{jn}=-m_e*f(j,n,\alpha,c)$ como visto aquí y es evidente que se obtiene un espectro desplazado al rojo con una mayor $m_e$ .

Las líneas espectrales no se deben sólo al átomo de Hidrógeno; hay otras líneas espectrales debidas a interacciones moleculares, debidas a dipolos eléctricos/magnéticos, etc, y así la interacción electromagnética,la ley de Coulomb, $F_{}=\frac{1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}\cdot \frac{q1\cdot q2}{d^2}$ debe analizarse.

Si escalamos la masa $m_e$ mediante la relación $\alpha(t)$ (no relacionada con la constante de estructura fina anterior), donde $t$ es el tiempo (pasado), deberíamos también escalar la carga y la distancia por el mismo factor, dando exactamente el mismo valor $F_{}=\frac{1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}\cdot \frac{q_1\cdot q_2\cdot \alpha^ 2(t)}{d^2\cdot \alpha^2(t)}$ . Así, el sistema con y sin la transformación se comporta de la misma manera. El mismo procedimiento muestra que la ley gravitacional universal también es insensible a la escala del átomo. Esto no debería ser una completa sorpresa porque el escalado de masas, cargas, unidades de tiempo y distancias se utiliza rutinariamente en simulaciones por ordenador que imitan el universo de forma consistente.

La conclusión es que no hay forma de distinguir entre el espectro de un átomo en movimiento y el de un átomo a escala.

Los fotones que fueron emitidos por un átomo mayor en el pasado son recibidos ahora sin ningún cambio en su longitud de onda y, por lo tanto, con ahorro de energía .

El punto de vista dominante, al no ser consciente de que el escalado del átomo daba los mismos resultados observacionales, adoptó la interpretación del retroceso hace mucho tiempo. Como consecuencia, los modelos derivados de esa interpretación (BB, Inflación, DE, DM, ) no obedecen las leyes generales del universo, a saber, el principio de conservación de la energía.

Mi punto de vista ofrece una causa de la expansión espacial . Usted puede pensar en eso, a menos que usted se sienta cómodo con: 'el espacio se expande', punto, sin una causa conocida.

La física trata de causas y porqués, respaldados por referencias adecuadas. He utilizado las leyes más básicas para demostrar que otro punto de vista está inscrito en las leyes de la naturaleza. Sólo he utilizado Leyes básicas que no necesitan revisión por pares, ya que son física convencional .

Cuando me gradué como ingeniero electrónico, hace ya mucho tiempo, acepté ingenuamente que los campos (electrostático y gravitatorio) son originados por las partículas, y se expanden a $c$ velocidad, sin vaciarse. Pero ahora, más viejo pero no senil, asumo sin excepción que en el universo no hay "almuerzos gratis" y que, por tanto, la energía debe transferirse de las partículas (que se encogen) a los campos (que crecen).

Este nuevo punto de vista se formaliza y compara con el $\Lambda CDM$ modelo en un documento riguroso, con la derivación de la relación de escala $\alpha(t)$ que corresponde a la evolución del universo, en:
Un modelo autosimilar del Universo desvela la naturaleza de la energía oscura
precedido de documentos más antiguos en arxiv:
Principio cosmológico y relatividad - Parte I
Una variación temporal relativista de la materia/espacio se ajusta a los datos locales y cósmicos

Ps: ¿Puede alguien proporcionar una forma de distinguir entre el espectro de un átomo en movimiento y el de un átomo a escala? (tal vez sondeando el núcleo del átomo y encontrando la abundancia de la relación isotópica (evolución D/H y otras) como ha hecho el Sr. Webb)