Dado que el universo se está expandiendo con el tiempo, en el sentido de que la métrica (espacial) está cambiando con el tiempo, lo que corresponde al aumento de la distancia física entre los objetos, la intuición ingenua me lleva a la conclusión de que la longitud de onda de un fotón que viaja desde una galaxia distante (alejándose de nosotros) se estirará y, en consecuencia, su frecuencia disminuirá, lo que hará que la energía del fotón disminuya (simplemente se perderá esta energía, ya que la simetría de traducción del tiempo se rompe debido al big-bang). El problema con esto es que, en relación con otro observador, la longitud de onda no se estiraría en una cantidad diferente y, por lo tanto, el desplazamiento hacia el rojo del fotón sería diferente, correspondiente a una cantidad diferente de energía perdida por el fotón.
Todo esto me deja confundido sobre el tema. ¿El fotón realmente se desplaza hacia el rojo y pierde energía debido a la expansión cósmica, o es simplemente un efecto del observador (similar al efecto Doppler estándar)? ¿Parece un poco contrario a la intuición que un fotón perdería energía simplemente debido a su propagación a través del espacio?
¿El punto central de esto es que es un fenómeno dependiente del observador y la energía de un objeto es una cantidad dependiente del observador (la energía no se conserva, uno se mueve entre dos marcos de referencia diferentes)?
Debe concentrarse en el observador que realiza las mediciones. Los fotones transportan energía, pero no la pierden simplemente porque viajan. La "pérdida" de energía no es la causa del corrimiento al rojo, solo si el fotón se dispersa algo perderá energía.
Sin embargo, no todos los observadores estarán de acuerdo en que el fotón tiene la misma cantidad de energía. Suponga que está en un marco en el que el fotón se observa como verde. Un observador en un marco diferente que se mueve en relación con el tuyo mide el fotón como rojo.
Debido a que las mediciones se realizan en diferentes marcos de referencia, no se viola el principio de conservación de la energía. En última instancia, la energía de un fotón depende de la frecuencia y diferentes observadores miden diferentes frecuencias.
Análogamente, si lanzas una moneda mientras te conducen, la moneda tiene una velocidad diferente para ti, en comparación con la medida por un espectador. Tenga en cuenta que la energía se conserva dentro de cada marco de referencia. La ley de la energía establece que, en cualquier marco de referencia dado, la cantidad de energía no cambia, pero no se aplica a la forma en que la energía en un marco se relaciona con la energía en otro marco.
Una buena lectura sobre esto es Universo absurdo.
Una simple adición a la respuesta correcta de @Countto10.
Así que tienen cambios Doppler. la pregunta podría ser, para los fotones de fondo de microondas cósmicos, ¿ese desplazamiento hacia el rojo es con respecto a qué? La respuesta es que es con respecto al llamado marco comóvil, el marco de referencia que es (en cierto modo) el marco de referencia que se expande con el universo, por lo tanto, co-móvil. También es el marco de referencia desde el cual el fondo cósmico de microondas (y el universo promedio) parece isótropo y homogéneo.
Cuando se midan, esos desplazamientos hacia el rojo incluirán nuestro movimiento con respecto a esas coordenadas comóviles, nuestra llamada velocidad peculiar. Eso incluye el movimiento alrededor del sol, el del sol alrededor de la galaxia, la galaxia alrededor de su cúmulo y el del cúmulo.
usuario108787