Chciałbym spytać w jaki sposób niepogwałcona zostaje zasada zachowania energii podczas kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni. Skoro foton w miejscu emisji ma, dajmy na to 500 nm, a w miejscu absorbcji 600 nm, to co stało się z jego energią, wynikającą z długości fali? Rozumiem rozszerzanie się samej przestrzeni związane z prawem Hubble'a „rozciągające” foton w trakcie jego przebiegu, ale nie wyjaśnia mi to w jaki sposób zachowana jest zasada zachowania energii.
Kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni a zachowanie energii
Pytanie
Odpowiedź
W Ogólnej Teorii Względności materia może przekazywać swoją energię polu grawitacyjnemu, czyli zakrzywionej przestrzeni. Możliwe jest też pobieranie energii przez materię od pola grawitacyjnego. Jeśli czasoprzestrzeń jest asymptotycznie płaska (pole grawitacyjne znika w przestrzennej nieskończoności), to możemy zdefiniować energię pola grawitacyjnego i stosować zasadę zachowania energii.
W przypadku, gdy czasoprzestrzeń nie jest asymptotycznie płaska (np. w rozszerzającym się jednorodnym Wszechświecie), zdefiniowanie energii pola grawitacyjnego jest niemożliwe. Nie mamy więc też zasady zachowania energii. Najbardziej spektakularnym przejawem tego faktu jest kosmiczna inflacja, która prawdopodobnie miała miejsce w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu. Wszechświat wtedy rozszerzał się gwałtownie (eksponencjalnie), a gęstość energii próżni była albo stała, albo zmieniała się znacznie wolniej. Iloczyn gęstości energii i objętości daje energię, która również rosła eksponencjalnie, biorąc się w pewnym sensie „z niczego”. Nie jest wykluczone, że z tej energii powstała cała materia, którą obecnie obserwujemy.