Năng lượng của ánh sáng đi đâu, khi nó chuyển màu đỏ?

Khi nói về sự giãn nở của vũ trụ, người ta nói rằng nó có thể được chứng minh bằng sự dịch chuyển màu đỏ của ánh sáng. (Như chúng ta sẽ cần cao hơn ánh sáng để có được sự dịch chuyển đỏ này bằng hiệu ứng Doppler)

Tôi là một người nghiệp dư, vì vậy tôi không chắc mình đúng, nhưng đây là những gì tôi nghĩ.

Dịch chuyển đỏ làm tăng bước sóng của ánh sáng. bước sóng cao hơn = tần số thấp hơn = năng lượng ít hơn.

Vì vậy, nếu các giả định của tôi là chính xác, năng lượng từ ánh sáng này đi đâu? Nếu không, tôi đã đưa ra một giả định không chính xác ở đâu?

Vấn đề là bảo tồn năng lượng là một khái niệm trơn trong Thuyết tương đối rộng. Có những tranh luận qua lại nhưng hầu hết mọi người chấp nhận rằng bảo tồn năng lượng chỉ là luật địa phương - nó chỉ áp dụng cho khung quán tính cục bộ và không thể áp dụng cho toàn bộ vũ trụ. Tuy nhiên, trong một vũ trụ đang mở rộng, rất khó để xác định bất kỳ khung quán tính nào và chắc chắn không phải là những khung bao gồm một khối lượng có ý nghĩa vũ trụ.

Điều này có nghĩa là nếu bạn tạo ra một "chiếc hộp" cục bộ đủ nhỏ để nó không bị ảnh hưởng bởi sự giãn nở của vũ trụ, thì bảo tồn năng lượng sẽ được áp dụng. Nhưng tất nhiên trong một hộp như vậy, một photon sẽ đi vào và rời đi với cùng một năng lượng vì hộp không bị ảnh hưởng bởi sự giãn nở của vũ trụ và do đó sẽ không có sự dịch chuyển đỏ của photon.

Một cách để trả lời điều này là nói rằng bảo tồn năng lượng là một luật dự định sẽ được áp dụng trong một khung tham chiếu duy nhất-- nó không có ý định hoạt động nếu bạn thay đổi các khung tham chiếu. Đúng là thuyết tương đối rộng làm cho điều này trở nên khó khăn hơn, bởi vì nó không chỉ thay đổi các khung tham chiếu ở đó, mà một câu hỏi đơn giản hơn xuất hiện ngay cả trong thuyết tương đối đặc biệt. Nếu một nguồn ánh sáng đang di chuyển ra xa bạn và nguồn đó được bật trong một lúc rồi tắt, các máy thu đang di chuyển ra khỏi nguồn đó sẽ phát hiện tổng năng lượng ánh sáng ít hơn so với những nguồn không di chuyển đi. Điều này đúng ngay cả khi nguồn là chùm tia đi hoàn toàn vào máy dò. Vì vậy, bạn có thể hỏi như nhau, nếu máy dò di chuyển đi và phát hiện ít năng lượng hơn, năng lượng bị mất đi đâu?

Câu trả lời là, không thiếu năng lượng. Máy dò di chuyển ra xa luôn cho rằng có ít năng lượng trong chùm tia đó và năng lượng đó được bảo toàn trong suốt thời gian đó. Bảo tồn năng lượng nằm trong một khung tham chiếu nhất định - thậm chí năng lượng của viên đạn sẽ ít hơn nhiều nếu bạn đổi sang khung tham chiếu của viên đạn.