Edwin Hubble descubrió en 1929 que el universo en expansión y la luz de las galaxias en retroceso se desplazan hacia el rojo; sus longitudes de onda se vuelven más largas. ¿Cómo puede la luz, que es una onda electromagnética, estirarse o comprimirse como la materia? Observamos el efecto Doppler en las ondas de sonido, con un aumento del tono cuando la fuente y el oyente se acercan, y una disminución del tono cuando se alejan el uno del otro. Pero al menos en el caso de las ondas de sonido, existe un medio físico. Pero las ondas de luz no requieren tal medio y pueden viajar en el vacío del espacio así como a través del aire o cualquier medio transparente. ¿Cómo puede estar sujeto a estiramiento o compresión, siendo una onda electromagnética que ni siquiera necesita un medio para su propagación?
El efecto Doppler del sonido se debe al movimiento del emisor con respecto al medio en el momento de la emisión, y/o al movimiento del receptor con respecto al medio en el momento de la recepción. La frecuencia no cambia a medida que el sonido se propaga del emisor al receptor.
La situación con la luz es mucho más ambigua porque no hay un medio con un estado de movimiento definido. Pero siempre puede pensar que su efecto Doppler funciona de la misma manera que el sonido, si lo desea.
En relatividad especial, puede elegir cualquier marco inercial y tratar la luz como si fuera un sonido que se propaga a través de un medio que está en reposo en ese marco inercial y en el que la velocidad del sonido es . Luego obtiene un efecto Doppler para la luz esencialmente por la misma razón por la que obtuvo uno para el sonido. La equivalencia de los marcos de inercia significa que obtendrá el mismo valor para el factor de desplazamiento Doppler sin importar el marco que elija.
En relatividad general, no siempre puedes elegir un marco inercial global, pero siempre puedes poner coordenadas inerciales en una estrecha franja de espacio-tiempo que incluye el emisor y el receptor y la trayectoria de la luz entre ellos, que es la única parte de el espacio-tiempo que realmente importa para el cálculo del efecto Doppler. Entonces el análisis es el mismo que en el caso de la relatividad especial.
Cuando se habla de corrimiento al rojo de la expansión cosmológica, es más popular pensar en la luz como un cambio de longitud de onda en el camino del emisor al receptor debido al "estiramiento del espacio". Hay muchas personas que creen que esa es la única forma correcta de pensar en ello, pero no lo es. El modelo similar a una onda de sonido y el modelo de extensión del espacio son descripciones del mismo fenómeno físico con respecto a diferentes sistemas de coordenadas (inercial en el primer caso, no inercial en el segundo).
Tienes razón en que la luz no requiere medio. Pero eso no es importante para determinar si se produce o no un corrimiento al rojo. El hecho es que la luz es una onda y eso es suficiente para que ocurra un corrimiento al rojo (o corrimiento al azul).
Considere una fuente de luz como una estrella. A medida que esta fuente retrocede, cada pico en la forma de onda que produce se emite desde una posición que se aleja cada vez más. Luego puede visualizar esto como una ola que se estira. Debido a esto, los cambios de longitud de onda y la frecuencia a la que los picos llegan al observador cambiarán o se desplazarán hacia el rojo. Y cuando preguntas “cómo se pueden estirar como la materia”, es muy importante señalar que es el espacio el que se está expandiendo o “estirando”.
Para visualizar esto aún más, piensa si dibujaras dos puntos en un globo medio inflado. Sea un punto el observador y el otro la fuente. Entre estos dos puntos, dibuje una línea ondulada que represente una onda de luz que une los dos puntos y luego proceda a inflar completamente el globo. Esta inflación es análoga a la expansión del espacio-tiempo. Si ha realizado este experimento mental (¡o realmente lo hizo!) correctamente, notará que los picos en la onda están más separados.