Pergunte a Ethan: para onde vai a energia de um fóton no desvio para o vermelho?

Nesta semana, em nossa série “Ask Ethan”, Christian Vrind ganhou o direito de obter uma resposta, fazendo, à primeira vista, uma pergunta simples: para

onde vai a energia de fótons individuais quando viajam entre estrelas por anos e experimentam o desvio para o vermelho quando o universo se expande de cada vez? como eles superam a distância da estrela ao observador? À medida que o comprimento de onda aumenta ao longo do caminho, o que significa que a energia diminui.

Afinal, sabemos exatamente sobre energia - ela não pode ser criada nem destruída.



Ao queimar lenha, você pode assumir que está criando energia. Mas algo muito mais sutil está acontecendo:

• As ligações moleculares são quebradas e reconstruídas, passando de uma configuração menos estável (madeira e oxigênio) para uma configuração mais estável (cinza e vapor), o que ocorre com a liberação de energia.
• Se você calcular a quantidade de energia liberada e usar o famoso$$$E = m c^2$






Às vezes, parece que algo está perdendo energia e não adquire energia ou massa de forma alguma como compensação. Isso se refere a um universo em expansão. Uma das inovações que surgiram com o advento da relatividade geral de Einstein foi o conceito da mutabilidade do próprio espaço, que deixou de ser uma grade de coordenadas fixa, na qual todo o resto está localizado. O Universo pode e deve se curvar, dependendo da quantidade e localização da matéria e energia dentro dele, e o tecido do Universo tem o direito de expandir e contrair.

Uma reviravolta inesperada é que qualquer fóton - uma partícula de luz - tem uma energia determinada por seu comprimento de onda. E se o tecido do Universo se estende (à medida que se expande) ou se contrai, então o comprimento de onda dessa luz e, portanto, de sua energia também muda.



Isso deve incomodá-lo! Afinal, a energia deve ser conservada em todos os processos físicos que ocorrem no Universo. O GR oferece a possibilidade de conservação de energia prejudicada?

Uma resposta assustadora: sim, talvez. GTR perfeitamente e com precisão consegue determinar muitas quantidades, mas a energia não é uma delas. Em outras palavras, a conservação de energia não segue as equações de Einstein. A energia não é definida na relatividade geral! Mas isso não significa que não possamos chegar a uma definição para ela. Significa apenas que você precisa ter cuidado.

Uma boa analogia seria o gás. O que acontece se você adicionar energia (calor) a ele? As moléculas no interior começam a se mover mais rapidamente, ou seja, sua velocidade aumenta e se espalham mais rapidamente, ocupando um volume maior.

Mas o que acontece se você aquecer o gás contido em um recipiente?



As moléculas esquentam, começam a se mover mais rapidamente, tentam se espalhar, mas, nesse caso, frequentemente batem nas paredes do recipiente e criam pressão positiva adicional. As paredes do recipiente se expandem e a energia é desperdiçada: as moléculas fazem o trabalho nelas!

Isso é muito semelhante ao que está acontecendo em um universo em expansão. Os fótons têm energia determinada pelo comprimento de onda e, com a expansão do Universo, esse comprimento de onda é esticado. Os fótons, é claro, perdem energia, mas no Universo, o trabalho é feito com tudo o que pressiona por dentro!



A rigor, em GTR, a energia para o Universo não é determinada. Mas se você olhar para o tecido do universo e fazê-lo encolher, o que aconteceria com os fótons dentro dele? Um universo em encolhimento produziria fótons, o que os levaria a ganhar energia.

E quanta energia? Tanto quanto eles perderam na expansão do universo.

Então, sim, Christian, com a expansão do Universo, os fótons perdem energia. Mas isso não significa que a energia não seja conservada. Isso significa que a energia entra na expansão do universo na forma de trabalho. E se o Universo mudar sua expansão e começar a encolher, esse trabalho será feito na direção oposta e entrará nos fótons internos.

É possível que, em uma teoria quântica da gravidade mais completa, apareça uma definição mais rigorosa de energia, e possamos realmente ver se ela está armazenada ou não. Mas, na ausência de um, só podemos usar o que está disponível para nós e já temos essas ferramentas e definições. Sim, os fótons perdem energia, mas não desaparecem. A quantidade de energia perdida é adicionada ao que existe em um universo em expansão.

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