¿Cuál es una explicación laica de por qué la longitud de onda de la luz aumenta cuando el espacio mismo se expande?

Aquí hay una explicación simple:

• Supongamos que una fuente de luz y un observador están en un espacio en expansión.
• Ahora piense en dos crestas de onda posteriores emitidas por la fuente de luz.
• La segunda cresta se emite un poco más tarde que la primera, por lo que el espacio se ha expandido ligeramente mientras tanto.
• En consecuencia, la segunda cresta tiene que viajar más lejos para llegar al observador, lo que requiere más tiempo.*
• Por lo tanto, el tiempo entre las llegadas de las crestas al observador es mayor que el tiempo entre su emisión en la fuente.
• Esto es lo mismo que decir que la frecuencia de la onda es más baja o (puesto que la velocidad de la luz es la misma) que la longitud de onda es más larga.

*(Y dado que tarda más, el espacio se expande más mientras viaja, lo que aumenta un poco más el tiempo de viaje).

aquí está la explicación de un laico:

Hay un juguete llamado Slinky que es un resorte helicoidal enrollado suelto hecho de plástico o alambre plano; si no ha visto uno, búsquelo para tener una idea de cómo se ve.

Imaginamos el Slinky descansando horizontalmente sobre un piso liso, con sus extremos separados a una distancia conveniente para que las bobinas adyacentes del resorte se extiendan y no se toquen. Si se tumbara en el suelo junto a él y lo viera desde un lado, las bobinas de alambre trazarían una curva de onda sinusoidal.

Ahora separamos más los extremos del Slinky, como si el espacio en el que está incrustado se estuviera "expandiendo". Notamos que el espacio entre las bobinas adyacentes del cable ha aumentado y, en nuestra vista lateral de las bobinas, la forma sinusoidal del resorte se ha "cambiado" para corresponder a una frecuencia más baja.

Esto es análogo a la situación en un espacio en expansión en el que se incrustan ondas sinusoidales de alta frecuencia: a medida que el espacio se estira, también lo hacen las ondas sinusoidales y su frecuencia se desplaza hacia abajo.

La explicación laica del universo en expansión es un globo.

Pero ahora tienes que imaginar que los observadores se comportan como puntos en el globo que no crecen como lo hacen las ondas en el globo.

Más técnicamente, debe tenerse en cuenta que no solo el experimentador que mide el desplazamiento hacia el rojo no se ve afectado por la expansión del universo , sino que la métrica sigue siendo la misma (es decir, la métrica/el espacio no se expande).

La métrica de Robertson Walker $d s^2 = dt^2 - a(t)^2 \left[ \frac{dr^2}{1-k r^2}+r^2d\Omega^2\right]$es una solución para un universo isotrópico homogéneo idealizado, pero el universo es grueso, y esa métrica (en expansión) debería interpretarse más como el promedio de la métrica. Este promedio se realiza en escalas de tiempo muy grandes, por ejemplo: incluso para los cúmulos de galaxias no observamos que se hayan expandido en el tiempo.

Entonces, la razón del desplazamiento hacia el rojo no es la expansión métrica (porque no se expande), sino mucho más la velocidad relativa del observador, como indica Lurscher en su respuesta. Y una idea intuitiva del efecto de corrimiento al rojo/doppler es como explica mmeent en su respuesta: el retraso de tiempo creciente entre dos momentos separados o picos de una onda.

El desplazamiento hacia el rojo no proviene de la intervención directa de la expansión métrica en sí, sino del desplazamiento Doppler regular, aunque debido a la velocidad de separación entre la fuente y el detector, que depende de la distancia entre la fuente y el detector a través de la ley de Hubble .

Solo para completar, mencionaré que la hipótesis original de que el desplazamiento hacia el rojo provenía de la expansión métrica en sí misma históricamente se denominó hipótesis de la luz cansada , pero hoy en día se considera ampliamente refutada por las observaciones.