Fotones en el espacio en expansión: ¿cómo se conserva la energía? [duplicar]

Como dices que estás hablando de lo que sucede localmente (en un volumen pequeño), te responderé desde ese punto de vista. La formulación habitual de la conservación de la energía en tal volumen es que la energía se conserva en un marco de referencia inercial . En relatividad general, no hay marcos verdaderamente inerciales, pero en un volumen suficientemente pequeño, hay marcos de referencia que son aproximadamente inerciales a cualquier nivel deseado de precisión. Si restringe su atención a tal marco, no hay corrimiento al rojo cosmológico . La energía del fotón cuando entra por un lado del marco es la misma que cuando sale por el otro lado. Así que no hay problema con la conservación de energía.

El fracaso (aparente) de la conservación de la energía surge solo cuando considera volúmenes que son demasiado grandes para ser abarcados por un solo marco de referencia inercial.

Para ser un poco más precisos, en un pequeño volumen$V=L^3$de un Universo genérico en expansión, imagina construir la mejor aproximación posible a un marco de referencia inercial. En ese marco, los observadores cerca de un borde se moverán con respecto a los observadores cerca del otro borde, a una velocidad dada por la Ley de Hubble (al orden principal en$L$). Es decir, en tal marco, el corrimiento al rojo observado es un corrimiento Doppler ordinario, que no causa problemas con la conservación de la energía.

Si desea obtener más detalles, David Hogg y yo escribimos sobre esto con una extensión considerable (¡quizás incluso excesiva!) en un artículo de AJP .

Va a trabajar para expandir el universo contra las fuerzas de la gravedad y la inercia. Esto es como un volumen de gas que se expande adiabáticamente: el gas se enfría a medida que aumenta el volumen. ¿Adónde va la energía?

Esta respuesta tenía la intención de permanecer en esta pregunta .

La conservación de la energía es (solía ser) una piedra angular en el marco de la física. Sin eso puede pasar cualquier cosa .

Veamos cómo se puede conservar la energía.

Las galaxias se mueven arrastradas por la expansión del espacio. Cuando los átomos están en movimiento, el efecto doppler cambiará los espectros de los fotones emitidos, como mostró la respuesta de @anna en el enlace de arriba.

La relación de masa protón a electrón,$\frac{m_e}{m_p}$se ha medido constante a lo largo de la historia del universo, pero no se puede decir nada sobre la constancia de la masa del electrón (a los que votaron negativamente: una referencia es bienvenida).

La energía del fotón obedece a la relación de Sommerfeld,$E_{jn}=-m_e*f(j,n,\alpha,c)$, como se ve aquí , y es evidente que se obtiene un espectro desplazado hacia el rojo con una mayor$m_e$.

Las líneas espectrales no se deben únicamente al átomo de Hidrógeno; hay otras líneas espectrales debido a interacciones moleculares, debido a dipolos eléctricos/magnéticos, etc., y así la interacción electromagnética, la ley de Coulomb,$F_{}=\frac{1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}\cdot \frac{q1\cdot q2}{d^2}$debe ser analizado.

Si escalamos la masa$m_e$por la relación$\alpha(t)$(no relacionado con la constante de estructura fina anterior), donde$t$es el tiempo (pasado), también debemos escalar la carga y la distancia por el mismo factor, dando exactamente el mismo valor$F_{}=\frac{1}{4\cdot \pi\cdot \varepsilon_0}\cdot \frac{q_1\cdot q_2\cdot \alpha^ 2(t)}{d^2\cdot \alpha^2(t)}$. Así, el sistema con y sin la transformación se comporta de la misma manera. El mismo procedimiento muestra que la ley gravitatoria universal también es insensible a la escala del átomo. Esto no debería ser una completa sorpresa porque la escala de masas, cargas, unidades de tiempo y distancias se usa rutinariamente en simulaciones por computadora que imitan el universo de manera consistente.

La conclusión es que no hay forma de distinguir entre el espectro de un átomo en movimiento y el de un átomo escalado.

Los fotones que emitía un átomo más grande en el pasado se reciben ahora sin ningún cambio en su longitud de onda y, por lo tanto, con conservación de energía .

El punto de vista dominante, al no ser consciente de que escalar el átomo daba los mismos resultados de observación, adoptó la interpretación en retroceso hace mucho tiempo. En consecuencia, los modelos derivados de esa interpretación (BB, Inflación, DE, DM, ) no obedecen a las leyes generales del universo, a saber, el principio de conservación de la energía.

Mi punto de vista ofrece una causa para la expansión del espacio . Puede pensar en eso, a menos que se sienta cómodo con: 'el espacio se expande', punto, sin una causa conocida.

La física se trata de causas y por qué, respaldada por referencias adecuadas. Usé las leyes más básicas para mostrar que otro punto de vista está inscrito en las leyes de la naturaleza. Solo he usado leyes básicas que no necesitan ser revisadas por pares, ya que son física convencional .

Cuando me gradué de ingeniero electrónico, hace mucho tiempo, acepté ingenuamente que los campos (electrostático y gravitacional) son originados por las partículas y se expanden a$c$velocidad, sin ser drenado. Pero ahora, mayor pero no senil, asumo sin excepción, que en el universo no hay 'almuerzos gratis' y por lo tanto la energía debe ser transferida de las partículas (encogiéndose) a los campos (creciendo).

Este nuevo punto de vista se formaliza y se compara con el$\Lambda CDM$modelo en un documento riguroso, con la derivación de la relación de escala$\alpha(t)$que corresponde a la evolución del universo, en:
Un modelo autosimilar del Universo revela la naturaleza de la energía oscura
precedida por documentos más antiguos en arxiv:
Principio Cosmológico y Relatividad - Parte I
Una variación temporal relativista de la materia/espacio se adapta tanto a lo local como a lo cósmico datos

Ps: ¿Alguien puede proporcionar una forma de distinguir entre el espectro de un átomo en movimiento y el de un átomo escalado? (tal vez sondear el núcleo del átomo y encontrar la abundancia de la proporción de isótopos (evolución D / H y otros) como lo ha hecho el Sr. Webb)