Спросите Итана: куда девается энергия фотона, испытывающего красное смещение?

Автор оригинала: Ethan Siegel
  • Перевод
image

На этой неделе в нашей серии «Спросите Итана» право получить ответ выиграл Кристиан Вринд, задающий, на первый взгляд, простой вопрос:

Куда девается энергия единичных фотонов, когда они годами путешествуют между звёзд, и испытывают красное смещение при расширении вселенной в то время, как они преодолевают расстояние от звезды до наблюдателя? Поскольку в пути длина их волны увеличивается, а значит, уменьшается энергия.

Ведь про энергию мы знаем точно – её нельзя ни создать, ни уничтожить.



Сжигая дрова для костра, вы можете считать, что создаёте энергию. Но происходит нечто гораздо более тонкое:

• Разрываются и перестраиваются молекулярные связи, переходящие из менее стабильной конфигурации (дерево и кислород) в более стабильную (пепел и пар), что происходит с выделением энергии.
• Если вы подсчитаете количество выделившейся энергии, и используете знаменитое $E = m c^2$, вы обнаружите небольшое различие между массой исходного вещества и прореагировавших молекул.
• На самом деле, общее количество энергии во всех её формах, включая массу, не меняется во время реакции.

Различия в массе получаются более явными в таких явлениях, как ядерная реакция, происходящих внутри Солнца. Если вы измерите массу Солнца при рождении и сравните с сегодняшней, то обнаружите, что за 4,5 млрд лет выделения энергии оно потеряло в массе что-то около Сатурна.



Иногда кажется, что нечто теряет энергию и никак не приобретает ни энергию, ни массу, в качестве компенсации. Это относится к расширяющейся Вселенной. Одной из новинок, появившихся с приходом эйнштейновской ОТО было понятие изменяемости самого пространства, переставшего быть фиксированной координатной сеткой, на которой находится всё остальное. Вселенная может и должна искривляться в зависимости от количества и расположения материи и энергии внутри неё, и ткань Вселенной имеет право расширяться и сжиматься.

Неожиданный поворот в том, что у любого фотона – частицы света – есть энергия, определяемая длиной его волны. И если ткань Вселенной растягивается (при её расширении) или сжимается, то длина волны этого света, а значит, и её энергия, тоже меняется.



Это должно вас обеспокоить! Ведь энергия должна сохраняться во всех физических процессах, происходящих во Вселенной. Предлагает ли ОТО возможность нарушения сохранения энергии?

Пугающий ответ: да, возможно. У ОТО прекрасно и точно получается определить множество величин, но энергия не является одной из них. Иначе говоря, из уравнений Эйнштейна не следует сохранения энергии. Энергия вообще не определяется в ОТО! Но это не значит, что мы не можем придумать ей определения. Это просто значит, что нужно действовать осторожно.


Хорошей аналогией будет газ. Что происходит, если вы добавляете в него энергию (тепло)? Молекулы внутри начинают двигаться быстрее, то есть их скорость увеличивается, и они быстрее распространяются, занимая больший объём.

Но что будет, если нагреть газ, заключённый в контейнер?



Молекулы разогреваются, начинают двигаться быстрее, стараются распространиться, но в этом случае они часто врезаются в стенки контейнера и создают дополнительное положительное давление. Стенки контейнера расширяются, а на это тратится энергия: молекулы совершают над ними работу!

Это очень похоже на то, что происходит в расширяющейся Вселенной. У фотонов есть энергия, определяемая длиной волны, и с расширением Вселенной эта длина волны растягивается. Фотоны, конечно, теряют энергию, но над Вселенной при этом совершается работа всем тем, что давит на неё изнутри!



Строго говоря, в ОТО энергия для Вселенной не определяется. Но если рассмотреть ткань Вселенной и заставить её сжаться, то что произошло бы с фотонами внутри неё? Сжимающаяся Вселенная совершала бы над фотонами работу, что привело бы к приобретению ими энергии.

А какого количества энергии? Именно столько, сколько они потеряли при расширении Вселенной.

Так что, да, Кристиан, с расширением Вселенной фотоны теряют энергию. Но это не значит, что энергия не сохраняется. Это значит, что энергия уходит в расширение Вселенной в виде работы. И если Вселенная когда-нибудь поменяет расширение и начнёт сжиматься, эта работа будет совершаться в обратном направлении, и перейдёт в находящиеся внутри фотоны.

Вполне возможно, что в более полной, квантовой теории гравитации, появится более строгое определение энергии, и мы сможем реально посмотреть, сохраняется она или нет. Но в отсутствии такового мы можем лишь использовать то, что нам доступно, и эти инструменты и определения у нас уже есть. Да, фотоны теряют энергию, но она не исчезает. Количество потерянной энергии добавляется к тому, что существует в расширяющейся Вселенной.
Поддержать автора
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 77

    +1
    И ещё одно — на что можно поделить фотон, учитывая дискретную природу вселенной? Можно ли принять его «мерцающим» по аналогии с атомом или (посредственной) светодиодной лампой, у которой так регулируется яркость (в нашем случае длина волны)? Ну и о волновой природе там всякое, да
      0
      А с чего это природа вселенной дискретна? Известно только что дискретны (квантуются) только некоторые взаимодействия в нашей вселенной.

      При этом никаких признаков того, что дискретно пространство или время не обнаружено, хотя такие предположения делались и проверять пытались разными способами.
      +2
      Хм. Если бы в нагреваемом контейнере не было бы газа, контейнер бы не расширялся.
      А зависит ли скорость расширения пространства от того, сколько в этом пространстве фотонов (или не только фотонов, а вообще материи?)?
        0
        Вроде зависит. Я не дофига знаток в этом, но вроде, по расчётам получается, что будь вещества в определённый момент несколько больше чем было, мы бы до текущего состояния вселенной не добрались бы в принципе — силы гравитационного сжатия бы победили и она бы тупо схлопнулась обратно в сингулярность. Причём эта грань вроде бы совсем какая-то смешная.
          0
          Тогда получается, что аналогия с газом не верна. Потому что газа чем больше, тем сильнее будет расширяться контейнер.
            0
            Если взять действительно много газа, то он под действием гравитационного сжатия превратится в звезду ;)
          +1
          Материя (и обычная энергия) да, но в обратную сторону — влияет на сокращение темпов расширения вплоть до смены расширения на обратный коллапс.

          А Итан тут вообще сову на глобус натягивает — неявно предполагая, что:
          1. Расширение вселенной когда-нибудь сменится ее обратным сжатием
          2. Сжатие будет происходить идеально симметрично относительно расширения.

          Это в принципе конечно возможный вариант, но мало того что недоказанный, так и наименее вероятных из всех возможных — все текущие наблюдения и измерения говорят о том, что расширение будет идти вечно и обратным сжатием никогда не сменится. И вопрос только в темпах этого расширения в будущем.

          Так что говорить о сохранении энергии фотов при космологическом красном смещении хоть в какой-то форме оснований, кроме того что «мне очень не нравится, что закон сохранения энергии так хорошо работающий и многократно проверенный во всей остальной физике тут не работает/не применим, поэтому представим что и тут он как-нибудь тоже работает» нет.
            0
            Если бы не было газа, то мы не могли бы говорить о нагреве.
            0
            Интересно, каким образом выглядит относительное движение других объектов для фотона, т.е. существует ли для фотона течение времени? Если нет, каким образом тогда происходит потеря энергии? (энергия ведь изменяется с течением времени)
              0
              Для фотона времени нет и его энергия не меняется относительно, эмм, самого фотона? И в разных системах отсчёта один и тот же фотон имеет разную энергию (при допплеровском смещении это даже нагляднее)?
              +6
              Опасная статья. Я в прошлый раз заикнулся, что энергия должна сохраняться и в масштабе Вселенной, так теперь комментарии раз в час пишу. SMS-голосование постановило, что нет, не сохраняется. :)
                0
                Думаю, автору этой статьи это не грозит)
                +1
                Хорошей аналогией будет газ. Что происходит, если вы добавляете в него энергию (тепло)? Молекулы внутри начинают двигаться быстрее, то есть их скорость увеличивается, и они быстрее распространяются, занимая больший объём.

                Это очень похоже на то, что происходит в расширяющейся Вселенной.

                Кто добавляет энергию (тепло) во вселенную?
                  0
                  Может и никто. Как четверть такта работы двигателя. Под внутренним давлением газ толкает поршень, увеличивая объём, но сам остывает.
                    0
                    Динамика разная. Мы ускоряемся, а не замедляется, вот что напрягает. Тут давеча про шарик была мысль интересная — это как отрицательное сопротивление, но для рабты отрицательного сопротивления ему надо мощность подводить, чем отрицательнее, тем больше
                      0
                      Мы ускоряемся, а не замедляется, вот что напрягает.
                      При этом ускорение может уменьшаться (а вот уменьшается ли в реальности, я что-то не в курсе). В соседней теме, вроде, про это есть.
                        +1
                        Если внешним усилием вытянуть поршень, то газ внутри всё равно остынет. Т.е. мы можем лишь сделать вывод, что не фотоны (или не только фотоны) являются источником расширения вселенной. Но то, что вселенная при расширении остывает выглядит вполне логичным.
                          0
                          Мы ускоряемся, а не замедляется, вот что напрягает.


                          А вот это не факт. Мы же наблюдаем большие скорости разбегания у удаленных галактик. А то, что мы у них видим — это далекое прошлое. То есть по этому — получается, что мы не ускоряемся. а замедляемся. Странно, что этот простой факт теория Большого взрыва нее учитывает.
                            +1
                            Логика наоборот.
                            Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас убегает. Это никак не объяснить, кроме как расширением.
                              0
                              Тем больше красное смещение. А точно ли это означает, что удаляется? Не может ли фотон в какой-нибудь дикой теории отдавать часть энергии при взаимодействии с пылью и т.д.?
                                0
                                С пылью — точно нет, так как пыль переизлучала бы фотоны на определенной частоте, она это и делает в пыле-газовых облаках.
                                Можно предположить некий процесс «старения» фотона с потерей им энергии (привет закону сохранения энергии). Не уверен, но похоже «старение» фотона никак не отличить от эффекта Допплера современными методами измерений.
                          0
                          Аналогия с периодическим процессом с подпиткой энергией? Хм…
                          0
                          Недавно прочитал забавнe. теоретическую работу от одного из «альтенативщиков»
                          http://cdn.scipeople.com/materials/55751/The_cosmological_constant_problem.pdf

                          Там все наша космология вывернута наизнанку. Там идет дальнейшее развитие идеи(самой по себе совсем не новой), что вся наша вселенная это центральная сингулярность образовавшаяся при коллапсе чего-то во внешней вселенной в черную дыру. Источник энергии для расшерения — это идущий во внешней вселенной гравитационный коллапс материи/энергии.
                          Да и вообще само расширение мнимое — реальный (внешний) размер вселенной не меняется, т.к. коллапс когда-то в прошлом уже дошел до минимально возможного объема/максимально возможной плотности (этот момент в нашей внутренней вселенной наблюдался как Большой Взрыв)
                          Дальнейшая накачка энергией ведет к увеличению скорости течения времени (относительно внешней вселенной разумеется, с точки зрения внутреннего наблюдателя это зарегистрировать напрямую невозможно), что приводит к мнимому увеличению всех расстояний и другим космологическим эффектам, включая красное смешение.

                          igruh
                            0
                            Кастую еще VenomBlood может тоже будет интересно ознакомиться.
                          0
                          Если фотон теряет энергию, то может ли наступить момент, когда она полностью иссякнет? Что будет в этом случае? Фотон остановится, исчезнет или...?
                            +1
                            .По идее, нет. Фотон теряет энергию, увеличивая длину волны — а длина волны может увеличиваться неограниченно, и энергия фотона будет оставаться положительной.
                              0
                              Такой вариант ответа чем-то мне напоминает: «Можно ли выпить стакан воды? Нет, всегда какая-то её доля будет оставаться в стакане, Сначала вы выпиваете половину, потом еще половину половины и так до бесконечности» Но мы то знаем, что рано или поздно будет выпита последняя молекула воды, после которой ничего не останется.
                                0
                                Вы говорите «рано или поздно», но при этом коверкаете течение времени как вам угодно в зависимости от ситуации, а вопрос ведь именно в форме функции питья от времени. Если она, скажем, линейная, т.е. вы решили пить по одному глотку в секунду, то да, рано или поздно все будет выпито. Но если вы решите пить половину от остатка каждую секунду, то стакан никогда не опустеет.
                                  0
                                  Но если вы решите пить половину от остатка каждую секунду, то стакан никогда не опустеет

                                  На самом деле нет. Даже при таком условии через 81 секунду в стакане останется две молекулы, через 82 останется одна, а потом вы либо выпьете последнюю, либо она так и останется недопитой
                                    0
                                    Реликтовое излучение существует и остывает уже 13 миллиардов лет. Будущим цивилизациям придётся просто напрячься для его измерения в длинноволновом диапазоне.
                                      0
                                      А какова минимальная частота излучения, при которой это всё еще считается излучением? Сейчас при z= 10^3 реликтовое излучение находится в миллиметровом диапазоне, а при z=10^12 и частоте меньше 1Гц это всё ещё будет считаться излучением? Правда я не знаю, сколько времени пройдет до состояния z=10^12.
                                        0
                                        Формальных ограничений нет, делить можно до бесконечности.

                                        Можно только практические/технические ограничения поставить — например длина волны станет больше размера галактики (так что детектор невозможно станет построить независимо от крутизны технологий). Или энергия меньше квантовых флуктуаций вакуума, что так же приведет к невозможности какой либо практической фиксации. Но не значит, что излучение перестало существовать совсем, просто настанет момент, когда будет проще начать считать что его не существует с практической точки зрения (отбросить как несущественный фактор).

                                        а z=10E12 это вообще район весьма бодрых 100 Гц (у текущего РИ с z=1000 большая часть спектра приходится на частоты выше 100 ГГц) — естественно это все еще нормальное электромагнитное излучение.
                                          0
                                          > Или энергия меньше квантовых флуктуаций вакуума, что также
                                          > приведет к невозможности какой либо практической фиксации.

                                          Ой ли? Распространение ЭМВ от старого удалённого источника — весьма детерминистский процесс, в отличие от стохастических квантовых флуктуаций. Не владею соответствующей математикой, но сигналы с уровнем меньше уровня шума вполне успешно вытаскивают, даже узкополосные, если есть верные предположения относительно их характеристик. Не может ли некий детектор (к примеру, массив узкополосных антенн, расположенных вдоль пути распространения сигнала), подкреплённый соответствующей математикой, успешно детектировать такие сигналы?
                                            0
                                            В принципе да, если это какой-то фиксированный источник с более-менее известными постоянными характеристиками, то можно его выделить даже если он будет в разы слабее фоновых случайных шумов.

                                            Просто выше речь изначально про реликтовое излучение шла, а оно само по себе представляет собой очень широкополосный(это же изначально тепловой спектр, просто сильно сдвинутый) шумоподобный (псевдо случайный) сигнал. Выделить один шумовой сигнал на фоне другого аналогичного, но более мощного по-моему нерешаемая в принципе задача.
                                  0
                                  Да, но длина волны не дискретная величина, она может стремиться к бесконечно большому или к бесконечно малому бесконечно, так сказать.
                                    0
                                    Ещё как дискретная. Наш мир квантовый.
                                      +2
                                      Квантовость величины не гарантирует дискретность ее значений. Иначе говоря, факт невозможности испустить/поглотить фотон частями или же сделать один из двух не означает, что мы не можем получить фотон с любой наперед заданной длиной волны.
                                0
                                Как известно, мы не можем наблюдать фотоны из-за края видимой части вселенной. Как мне кажется, это равнозначно тому, что сейчас они для нас исчезли. Другими словами, фотон может существовать только на ограниченном промежутке пространства-времени.
                                  0
                                  Честно сказать не понятно почему одно должно следовать из другого. То, что мы фотон не видим ведь не означает, что его физически нет. Прежде чем попасть в наш глаз он пролетел пару миллионов световых лет. Разве он не существовал все это время?
                                    0
                                    Ну так и параллельные миры мы не видим, но это не означает, что их нет физически. Вопрос в том, есть ли принципиальная возможность доказать, что такой фотон существует или хотя бы существовал.
                                      0
                                      На мой взгляд, разница здесь очевидна. Параллельные миры существуют пока только в фантазии мечтателей, а фотоны мы наблюдаем постоянно и сомневаться в их реальности не приходится.
                                        0
                                        Наша вселенная существует вроде как не в фантазиях, почему не могут существовать другие? Ответ, как по мне, заключается только в том, что нет никаких свидетельств их существования. Существуют ли фотоны, доказательств существования которых нет и не предвидится?
                                          0
                                          Наша вселенная существует вроде как не в фантазиях, почему не могут существовать другие?

                                          Да никто и не говорит, что не могут. Просто пока это не доказано это фантазия или, в лучшем случае, теория.

                                          Существуют ли фотоны, доказательств существования которых нет и не предвидится?

                                          Вы о чем? Разве то, что Вы сейчас видите этот текст не доказывает существования фотонов?
                                            0
                                            О том, что для меня этого текста не существовало до 21:15, хотя объективно он был написан уже в 14 часов, но я его увидел и теперь он существует и субъективно для меня. Но если бы объективно никто не увидел и не мог увидеть вашего текста, кроме вас, то может вы его и не писали вовсе, объективно-то его никто прочитать не смог и не сможет.
                                              0
                                              А причем здесь субъективность? У меня в холодильнике стоит бутылка пива. Вы ее никогда не увидите, но на ее существование это никоим образом не повлияет. Доказать ее существование/отсутствие Вы не можете, от слова никак. Шансы 50 на 50, либо да, либо нет. Есть ли здесь проблема? На мой взгляд нет.
                                                0
                                                Я могу прийти к вам и открыть холодильник — вот и доказательство. В случае фотонов от объектов, которые удаляются от нас со скоростью больше 2*це, за счет расширения вселенной, то нет никакого способа их увидеть
                                                  0
                                                  Я могу прийти к вам и открыть холодильник — вот и доказательство

                                                  Ну что за детский сад! Конечно же Вы этого не можете. И, как я уже говорил, на факт существования пива в холодильнике это никак не влияет.
                                                    0
                                                    Не знал, что существуют какие-то фундаментальные законы, а не светские, благодаря которым я не смогу до вас дойти и открыть ваш холодильник.
                                                      0
                                                      Причем здесь законы? Чтобы это сделать, Вам, как минимум, нужно знать куда идти. Вы не знаете. В случае с фотонами, о которых мы говорили изначально, похожая неопределенность, которая не позволяет делать каких-либо конкретных выводов.
                                                        +1
                                                        Можно слегка уточнить: он выпьет пиво гарантированно быстрее, чем вы доберетесь (это, кстати, вполне себе следует из фундоментальных законов). С расширением вселенной аналогично.
                                      0
                                      Изначально тоже подумал в эту сторону. Но потом подумал о том, что скорость света — константа, увеличивается длина волны, следовательно снижается ее частота (именно из-за этого красное смещение происходит). А далее после красного спектра видимого излучения идет инфракрасное излучение, далее радиоволны. Данное предположение, нисколько не противоречит вашему.
                                      0
                                      По идее, для нас все фотоны начинающие свой путь вне видимой нам вселенной будут иметь нулевую энергию, потому как к нам никогда не доберутся (из-за того, что вселенная расширяется быстрее скорости света).
                                        0

                                        Думаю, это как уронить фонарик в черную дыру. Пока он падает, свет его все дальше будет смещаться к красному пока не погаснет.

                                        +3
                                        Очень опасная интерпретация. Я приводил уже каноническое понимание законов сохранения в ОТО и проблемы сохранения энергии в расширяющейся вселенной в этой ветке [1][2] с пруфами.
                                        Не очень понятно что именно Итан имел ввиду, но опять же современное представление (см. пруфы) о проблеме с Итаном не согласно.
                                        Грубо говоря это
                                        Так что, да, Кристиан, с расширением Вселенной фотоны теряют энергию. Но это не значит, что энергия не сохраняется. Это значит, что энергия уходит в расширение Вселенной в виде работы.
                                        Не верно т.к. требует введения хитрых сущностей и нелокальности. Т.к. вселенная расширяется в равной степени вне зависимости от количества фотонов в заданной точке.
                                        Это
                                        Сжимающаяся Вселенная совершала бы над фотонами работу, что привело бы к приобретению ими энергии.

                                        А какого количества энергии? Именно столько, сколько они потеряли при расширении Вселенной.
                                        Не совсем корректно потому что подразумевает невозможность преобразования материи в энергию, плотности которых падают по различным законам при изменении метрики. Иными словами фотоны потеряли энергию во время расширения, потом столкнулись образовав пару массивных частиц (грубо говоря), потом вселенная начала сжиматься, когда метрика достигла начального значения — пара аннигилировала и полученные фотоны все еще менее энергетичны чем были в начале для одного и того же наблюдателя.
                                          +4
                                          1. Действительно, Итан не прав. Ну не сохраняется энергия излучения, чего тут такого. Никакая это не катастрофа. Просто для Вселенной отсутствует инвариантность вдоль оси времени. Теорема Нётер, и всё такое.

                                          В любой системе (система — это всё излучение Вселенной), в которой гамильтониан явно зависит от времени H(t), энергия, ясен пень, не сохраняется. Это как раз наш случай.

                                          2. Ваш аргумент, что излучение может превратиться в вещество с иным уравнением состояния, хоронит пост Итана на корню. Вселенная пошла обратно сжиматься, а тут, опа, излучения уже нет, одни частицы. А их, сжимай, не сжимай.
                                            0
                                            Я не совсем понял, в чем не прав Итан. Куда энергия то девается?
                                              0

                                              Суммарная энергия просто уменьшается. Закон сохранения энергии не применим ко Вселенной в целом.

                                            –1
                                            Не очень понятно что именно Итан имел ввиду

                                            Так может спросить его, он отвечает в комментариях?

                                            но опять же современное представление (см. пруфы)

                                            У нас теперь научная инквизиция? Современное представление говорит о проблемах, связанных с проблемами определения энергии гравитационного поля. Это не окончательный вывод.

                                            Т.к. вселенная расширяется в равной степени вне зависимости от количества фотонов в заданной точке.

                                            И? Вселенная расширяется не под действием фотонов.

                                            пара аннигилировала и полученные фотоны все еще менее энергетичны чем были в начале для одного и того же наблюдателя

                                            Нет. Мы видим, что расширение вселенной оказывает влияние не только на фотоны, но и на остальную материю (галактики разбегаются). Значит обратное сжатие вселенной приведёт к тому, что частицы столкнуться, имея больший импульс.
                                              0
                                              Я вам уже объяснял что ваша точка зрения не верна, ну да ладно, объясню еще раз. Жаль только что вы так за месяц и не удосужились прочитать книжку и статьи на которые я ссылался.
                                              У нас теперь научная инквизиция? Современное представление говорит о проблемах, связанных с проблемами определения энергии гравитационного поля. Это не окончательный вывод.
                                              Окончательный вывод в том что из ОТО не следуют определенные законы сохранения. Математически. Потому что предпосылки для существования этих законов в рамках ОТО не выполняются.
                                              И? Вселенная расширяется не под действием фотонов.
                                              Вот именно, поэтому и вопрос как это «фотоны совершают работу расширяя вселенную», если она расширяется вне зависимости от того сколько там фотонов. Сразу надо делать кучу нагромождений, вводить нелокальность (не только пространственную, но и временную). Не работает оно так.
                                              Нет. Мы видим, что расширение вселенной оказывает влияние не только на фотоны, но и на остальную материю (галактики разбегаются). Значит обратное сжатие вселенной приведёт к тому, что частицы столкнуться, имея больший импульс.
                                              Вы опять не разобрались. Во первых изменение метрики оказывает различный эффект на излучение и материю. Во вторых — вы путаете движение сквозь пространство и расширение пространства.
                                                0

                                                В своём последнем возражения вы не правы. Идея VenomBlood основана на том, что частицы и излучение по разному ведут себя при изменении размеров Вселенной.


                                                Плотность энергии вещества (частиц) с ростом размера Вселенной падает как обратный куб радиуса R^-3. А так как её объём увеливается как R^3, то с веществом проблемы нет, суммарная энергия сохраняется.


                                                А вот у излучения плотность энергии падает как четвёртая степень R^-4, и кубический рост объёма уже не спасает! Именно в этом вся соль. Именно поэтому Итан обсуджает излучение, а не вещество. Вкурите тему.


                                                VenomBlood (и я примазался) пишем, что именно поэтому конвертация "излучение–вещество" (ничем не запрещённая) нарушает планы Вселенной вернуть заёмную энергию (по Итану) при сжатии. Общий баланс к моменту "окончательной расплаты" при Большом Треске (коллапсе) не сойдётся. Даже если такая конвертация будет временной. Пока излучение пребывает в виде вещества возврата энергии не происходит, а он не должен прекращаться, если мы хотим полного возврата.

                                              0
                                              Если наблюдателя, измеряющего длину волны, и фотон поместить в один объем пространства, а затем его расширять, то для наблюдателя длина волны не изменится, или изменится? И второе, даже если наблюдатель находится в отдаленной точке пространства, в которой расширение происходит меньше или больше, только разве граница между этими объемами пространства не плавная? Что приведет к тому, что фотон пролетая от точки расширенного пространства в точку менее расширенного пространства не поменяет свою длину волны на исходную?
                                                0
                                                Для наблюдателя длина волны увеличится, размеры самого наблюдателя и его измерительных инструментов не изменятся.
                                                Расширение вселенной однородно во всех точках пространства. Даже если бы это было не так, чтобы длина волны фотона увеличилась, он должен находиться в области, подвергающейся расширению, в одно время с процессом расширения. Если фотон прилетел из «расширенной» в «нерасширенную» область пространства, то длина волны измениться не должна.
                                                0
                                                Думаю, Доплеру всё равно, по какой причине от наблюдателя удаляется источник света: сам ли он улетает сквозь пространство, или его уносит с собой расширяющееся пространство. Только в первом случае красное смещение показывает собственную скорость источника, а во втором — скорость космологического расширения пространства на отрезке между наблюдателем и источником.
                                                А вот теряет ли фотон энергию из-за космологического расширения? Сомневаюсь. Вот летит отдельный фотон, и наблюдатель летит с ним рядом — как демон Максвелла. Энергетическая плотность среды, в которой летит фотон, неизменна миллиарды лет, то есть во Вселенной действует космологическая постоянная. Поэтому и энергия фотона, ей противостоящая, не должна меняться.
                                                Но с точки зрения стороннего наблюдателя, к которому летит фотон, ситуация другая. Расширяющееся между ними пространство, постоянное по плотности своей среды, превращает наблюдение фотона в игру «кошки-мышки». Наблюдатель уносится пространством от фотона, а фотон, преодолевая встречное расширение пространства, догоняет наблюдателя. Поэтому возникает космологическое красное смещение — увеличение длины волны, принимаемой наблюдателем, при её сохранении с точки зрения самого фотона.
                                                Попробую убедить в этом себя и других таким примером. Возьмём динамик, издающий звук неизменной частоты (энергии). Мы, оставаясь неподвижными, будем слышать пониженную частоту его звука в двух случаях. Если он отъезжает от нас на тележке сквозь неподвижный воздух, или если он отъезжает от нас вместе с окружающим его воздухом (сдувает ветром, взрывной волной). Второй случай — аналог космологического красного смещения частоты. Или что-то не так?
                                                  0
                                                  Ага, ведь согласно современным представлениям
                                                  среды, в которой летит фотон

                                                  не существует
                                                  +1
                                                  Немного не понятно, почему понятие энергии рассматривается в отрыве от пространства-времени? Разве энергия не является величиной, определяемой в рамках этих двух параметров? Тогда, по идее, при переходе из одной системы отсчёта в другую должна меняться и энергия.
                                                    +1
                                                    Что-то я совсем ничего не понимаю. Если у нас скорость фотона фиксирована, то при ускорении наблюдателя летящие к нему навстречу фотоны смещаются в синий диапазон, то есть их энергия увеличивается. А летящие со спины — краснеют, т.е. их энергия уменьшается.

                                                    Получается, что энергия фотона вообще функция, зависящая от frame of reference, то есть не являющаяся универсальной, и два наблюдателя из разных FoR не могут согласиться об энергии фотона.
                                                      +1
                                                      Вопрос сам по себе не корректен.
                                                      Фотон не «испытывает» красное смещение, Это наблюдателель «фиксирует» этот эффект, когда движется в ту-же сторону, что и фотон. С фотоном ни чего не происходит…
                                                      Или я что-то не понимаю?
                                                        0
                                                        Вы не волнуйтесь. Никто тут не понимает.

                                                        С фотоном ни чего не происходит…

                                                        Ничего. Он просто летит к вам от далёкой галактики.

                                                        Однако, если бы пространство не расширялось, то по лучу можно было бы уложить число N длин излучённого удалённой галактикой фотона — верно?

                                                        Но пространство расширяется — а число N не меняется — С фотоном ничего не происходит…

                                                        Но расстояние больше стало, а N (число длин излучённого удалённой галактикой фотона — уложенной в это расстояние) не изменилось. — То есть длина волны фотона… выросла (иначе число N увеличилось бы). То есть фотон, влетевший вам в глаз, — покраснел.
                                                        0
                                                        Получается, что вселенную расширяет не какая-то там тёмная энергия, а — фотоны?
                                                        На нобелевку тянет.
                                                          0
                                                          На шнобелевку.
                                                            +1
                                                            Кстати зря вы так про шнобелевку. Это серьезная премия, не смотря на название.
                                                          0
                                                          Из статьи я понял, что Вселенная расширяется благодаря фотонам, которые тратят энергию на работу по расширению оной в следствии эффекта Доплера, который заключается в том, что длина волны фотона увеличивается из-за расширяющейся Вселенной.
                                                          =/
                                                            0
                                                            Так, спасибо за ответ в предыдущей теме, теперь вопрос стоит так, если я буду излучать фотоны из менее искривленного пространства в более искривленное и ограничу траекторию фотона этой системой, начнет ли эта система движение, из-за разного импульса на разных частях системы?
                                                              0
                                                              Если я правильно понимаю, то звезда, из которой вылетел фотон, и наблюдатель — это разные системы отсчета. В разных системах отсчета фотон имеет разную длину и разную энергию. Рассматривать изменение энергии можно только в одной и той же системе отсчета. В системе отсчета наблюдателя фотон энергию не приобретал и не терял — он просто имел, имеет и будет иметь энергию, с которой его зафиксировал наблюдатель.
                                                                0
                                                                Как любителя нтересует вопрос- почему все говорят что гравитационные волны описаны в ТО если
                                                                один из основных постулатов ТО- отсутствие эфира и значит никаких волн не может быть т.к. нет среды.
                                                                А может быть только излучение в виде волн. Но если взять более изученное ЭМ излучение, то получается
                                                                что спутник запущенный на Марс, например, заполняет своим излучение огромное пространство -от Марса до Земли по крайней мере(тут конечно нужно учесть насколько направленная антенна но в любом случае пространство просто огромное, космические масштабы, ведь в лучшем случае это конус а если ненапрвленная то сфера). И мы можем в любой точке этого пространства его регистрировать. Но почему при этом сама излучающая станция не теряет массу, ведь чем-то надо заполнить такое огромное пространство.
                                                                  0
                                                                  Отсутствие эфира не является постулатом ТО, понятие об эфире попросту отпадает с введением ТО.ЭМ излучению например среда не нужна, потому что сам фотон является носителем энергии(звуковой волне нужна среда, потому что переносчиком энергии являются сами атомы данной среды).Гравитационная волна распространяется же по самому пространству(по аналогии с морем и волнами, где море — само пространство, а волны — гравитационные).
                                                                  А насчет спутника, то сам спутник энергию берет не из неоткуда, а получает, например, из солнечной батареи.
                                                                  0

                                                                  Странное сравнение контейнера с газом и фотона во Вселенной: при добавлении энергии газ начинает сильнее давить на стенки, расширяя оные, на что и уходит энергия, значит, следуя аналогии, это не в следствии расширения Вселенной фотон теряет энергию, но сам фотон тратит свою энергию на расширение, следствием чего является смещение спектра в сторону уменьшения энергии.

                                                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                  Самое читаемое