Co dzieje się z energią fotonu w rozszerzającym się Wszechświecie?

Pytanie

Pyta Mariusz

Foton podróżując z odległych rejonów Wszechświata zwiększa swoją długość fali na skutek rozszerzania się samej przestrzeni (przesunięcie ku czerwieni). Jak rozumiem, oznacza to zmniejszenie z czasem i odległością jego energii. Gdzie podziewa się zatem energia, którą traci ten foton?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Naiwna odpowiedź jest taka, że energia fotonu zostaje zaabsorbowana przez pole grawitacyjne. W rozszerzającym się Wszechświecie nie mamy jednak dobrze zdefiniowanego pojęcia całkowitej energii pola grawitacyjnego, czyli energii zakrzywionej czasoprzestrzeni. Oznacza to, że globalna zasada zachowania energii nie obowiązuje. Najlepszą ilustracją tego faktu jest przykład czasoprzestrzeni, w której występuje praktycznie stała gęstość energii próżni, i nie ma w ogóle cząstek. Wszechświat rozszerza się, objętość rośnie, a gęstość energii pozostaje stała, czyli całkowita energia rośnie. Taka sytuacja (odpowiadająca tzw. inflacji) wystąpiła prawdopodobnie w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu. Ogromna ilość cząstek w obecnym Wszechświecie mogła zostać wyprodukowana dzięki nagromadzonej wtedy energii.