¿Es cierto que la luz pierde energía en ausencia de la gravedad y gana energía en su presencia?

Sí, bueno, algo así. La energía puede ser un poco difícil de seguir en la relatividad general, y es importante ser preciso sobre lo que entendemos por energía. En este caso, el problema es si la luz se desplaza hacia el rojo . El desplazamiento hacia el rojo reduce la energía de los fotones individuales, aunque en general la energía no se pierde, simplemente se diluye.

Probablemente sepa que la luz de las galaxias distantes se desplaza hacia el rojo debido a la expansión del universo (el desplazamiento hacia el rojo cosmológico), por lo que toda la luz que nos llega desde partes distantes de la galaxia se desplaza hacia el rojo. Sin embargo, la luz que nos llega y que ha atravesado el supervacío está más desplazada hacia el rojo que el resto de la luz que no atravesó el vacío.

Si haces brillar la luz en un pozo de potencial gravitatorio, se desplaza hacia el azul cuando cae en el pozo y se desplaza hacia el rojo cuando emerge. Esto se conoce como desplazamiento gravitacional hacia el rojo (o desplazamiento hacia el azul) y se ha medido experimentalmente en la Tierra . La conservación de la energía significa que el desplazamiento hacia el rojo al emerger tiene que coincidir con el desplazamiento hacia el azul al ingresar al pozo, por lo que el cambio de energía neto es cero. En general, la luz no puede ganar ni perder energía. Con un vacío obtenemos el efecto opuesto: el rojo claro cambia cuando entra en el vacío y el azul cambia cuando sale del vacío, y al igual que con un pozo de gravedad, en circunstancias normales los cambios al rojo y al azul serían los mismos.

Sin embargo, cuando tienes un objeto tan grande como el supervacío, el objeto aumenta de tamaño por la expansión del universo mientras la luz lo atraviesa. Esto significa que el cambio al rojo que experimenta la luz al entrar en el vacío es diferente al cambio al azul que experimenta la luz al salir del vacío. El resultado final es que hay un desplazamiento general hacia el rojo que es mayor que si no hubiera vacío.

Si está interesado en saber más, este efecto se conoce como el efecto Sachs-Wolfe integrado , o más precisamente, el efecto Sachs-Wolfe integrado tardío . El efecto solo ocurre porque la expansión del universo se está acelerando actualmente, o más precisamente, se estaba acelerando cuando la luz que vemos atravesó el vacío hace unos 3 mil millones de años. La expansión acelerada tiende a suavizar las diferencias de densidad, por lo que, en efecto, el vacío era menos profundo cuando la luz lo dejó que cuando entró y, por lo tanto, el cambio de frecuencia de la luz fue diferente.

Se ha sugerido que el vacío es la causa del punto frío de CMB . El argumento es que para la luz que cruza el vacío, el efecto ISW reduce su energía lo suficiente como para explicar la temperatura más baja.

Siguiendo el comentario de Einstein de que los fotones son unidades indivisibles, no es realmente para explicar por qué un fotón tiene que desplazarse hacia el rojo cuando emerge de un potencial gravitatorio. No irradia, por lo tanto, no pierde energía.

Más intuitiva es la explicación de que, dependiendo del potencial gravitatorio, donde se encuentra un cuerpo, este cuerpo irradia fotones con fotones desplazados hacia el rojo o hacia el azul en relación con un emisor en diferente potencial (y lo mismo para los receptores). Para ser precisos, un electrón en un átomo de hidrógeno perturbado irradia fotones desplazados hacia el rojo o hacia el azul dependiendo del potencial gravitatorio en el que se encuentre este electrón en relación con nuestro potencial gravitatorio.

Cambiaría mi punto de vista, si obtengo una explicación, por qué esta afirmación (estamos hablando de un desplazamiento gravitatorio, no de un desplazamiento hacia el rojo debido a la expansión del universo) tiene que ser menos lógica cuando la frecuencia postulada cambia de fotones.

¿Es cierto que la luz pierde energía en ausencia de la gravedad y gana energía en su presencia?

No. Se aplica la conservación de la energía, incluso cuando se trata del corrimiento al rojo y al azul gravitacional. Si envía un fotón de 511 keV a un agujero negro, la masa del agujero negro aumenta en 511 keV/c². No aumenta más que esto. El fotón descendente en realidad no gana energía. No existe un mecanismo mágico y misterioso por el cual la energía de alguna manera atraviesa el espacio hacia el fotón descendente. Sin embargo, medimos que se desplaza hacia el azul cuando bajamos. Esto se debe a que cuando un cuerpo cae, la gravedad convierte la energía potencial de ese cuerpo en energía cinética que normalmente se irradia. El cuerpo entonces tiene un déficit de masa, ver Wikipedia :

"Esta masa faltante puede perderse durante el proceso de unión como energía en forma de calor o luz, con la energía eliminada correspondiente a la masa eliminada a través de la ecuación de Einstein E = mc²".

El cuerpo, que podrías ser tú, ahora comprende menos masa/energía que antes, por lo que, en comparación, el fotón parece haber ganado energía. Otra forma de verlo es que tú y tus relojes van más lentos cuando estás más bajo , debido a la dilatación del tiempo gravitatorio. Entonces, la frecuencia del fotón parece más alta junto con su energía E = hf. De manera similar, si aceleras hacia una fuente de luz, la frecuencia parece aumentar, pero los fotones no han cambiado, tú sí.

Acabo de leer un artículo sobre el supervacío que encontraron y se sugiere esto. Si es así, estoy cada vez más fascinado con los vínculos entre la luz y la gravedad.

Ha habido algunos informes deficientes de este supervacío. Por ejemplo, este artículo dice que los fotones de luz disminuyen la velocidad a medida que se cruzan . Haz muchas preguntas al respecto.