Pregúntele a Ethan: ¿a dónde va la energía de un fotón de desplazamiento al rojo?

Esta semana en nuestra serie "Pregúntale a Ethan", Christian Vrind ganó el derecho de obtener una respuesta, preguntando, a primera vista, una pregunta simple:

¿A dónde va la energía de los fotones individuales cuando viajan entre estrellas durante años y experimentan un desplazamiento hacia el rojo cuando el universo se expande a la vez? ¿Cómo superan la distancia de la estrella al observador? A medida que su longitud de onda aumenta en el camino, lo que significa que la energía disminuye.

Después de todo, sabemos exactamente acerca de la energía: no se puede crear ni destruir.



Al quemar leña, puede asumir que está creando energía. Pero está sucediendo algo mucho más sutil:

• Los enlaces moleculares se rompen y se reconstruyen, pasando de una configuración menos estable (madera y oxígeno) a una configuración más estable (cenizas y vapor), que ocurre con la liberación de energía.
• Si calcula la cantidad de energía liberada y usa el famoso$$$E = m c^2$






A veces parece que algo está perdiendo energía y no adquiere energía ni masa de ninguna manera como compensación. Esto se refiere a un universo en expansión. Una de las innovaciones que aparecieron con el advenimiento de la relatividad general de Einstein fue el concepto de la mutabilidad del espacio en sí, que dejó de ser una cuadrícula de coordenadas fija, en la que se ubica todo lo demás. El Universo puede y debe doblarse dependiendo de la cantidad y ubicación de la materia y la energía dentro de él, y la estructura del Universo tiene el derecho de expandirse y contraerse.

Un giro inesperado es que cualquier fotón, una partícula de luz, tiene una energía determinada por su longitud de onda. Y si la estructura del Universo se estira (a medida que se expande) o se contrae, entonces la longitud de onda de esta luz, y por lo tanto su energía, también cambia.



¡Esto debería molestarte! Después de todo, la energía debe conservarse en todos los procesos físicos que tienen lugar en el Universo. ¿GR ofrece la posibilidad de una conservación de energía deteriorada?

Una respuesta aterradora: sí, tal vez. GTR logra de manera perfecta y precisa determinar muchas cantidades, pero la energía no es una de ellas. En otras palabras, la conservación de energía no se sigue de las ecuaciones de Einstein. ¡La energía no se define en la relatividad general en absoluto! Pero esto no significa que no podamos encontrar una definición para ella. Solo significa que debes tener cuidado.

Una buena analogía sería el gas. ¿Qué sucede si le agregas energía (calor)? Las moléculas en el interior comienzan a moverse más rápido, es decir, su velocidad aumenta y se propagan más rápido, ocupando un volumen mayor.

Pero, ¿qué sucede si calienta el gas encerrado en un recipiente?



Las moléculas se calientan, comienzan a moverse más rápido, intentan extenderse, pero en este caso a menudo chocan contra las paredes del contenedor y crean una presión positiva adicional. Las paredes del contenedor se expanden y se desperdicia energía en él: ¡las moléculas hacen el trabajo sobre ellas!

Esto es muy similar a lo que está sucediendo en un universo en expansión. Los fotones tienen energía determinada por la longitud de onda, y con la expansión del Universo esta longitud de onda se estira. Los fotones, por supuesto, pierden energía, pero sobre el Universo, ¡el trabajo se realiza con todo lo que ejerce presión sobre él desde adentro!



Estrictamente hablando, en GTR la energía para el Universo no está determinada. Pero si miras la estructura del universo y haces que se encoja, ¿qué pasaría con los fotones en su interior? Un universo en disminución haría fotones, lo que los llevaría a ganar energía.

¿Y cuánta energía? Tanto como perdieron en la expansión del universo.

Entonces, sí, cristiano, con la expansión del Universo, los fotones pierden energía. Pero esto no significa que la energía no se conserve. Esto significa que la energía entra en la expansión del universo en forma de trabajo. Y si el Universo alguna vez cambia su expansión y comienza a encogerse, este trabajo se realizará en la dirección opuesta, e irá a los fotones en el interior.

Es posible que en una teoría de la gravedad más completa y cuántica, aparezca una definición más rigurosa de la energía, y realmente podamos ver si está almacenada o no. Pero en ausencia de uno, solo podemos usar lo que está disponible para nosotros, y ya tenemos estas herramientas y definiciones. Sí, los fotones pierden energía, pero no desaparece. La cantidad de energía perdida se agrega a lo que existe en un universo en expansión.

Source: https://habr.com/ru/post/es400759/