Cuando los fotones viajan por el espacio pierden energía. Entonces, ¿esto significa que se viola la ley de conservación de la energía?

No, pero es una pregunta EXTREMADAMENTE excelente.

La cantidad de energía que puede absorber es menor que si estuviera estacionario en relación con la fuente. Aquí hay un ejemplo: quédate quieto y deja que alguien te golpee; realmente dolerá, pero si te inclinas hacia atrás al mismo tiempo que te golpea el puño, duele menos. Alternativamente, si la persona que lanza el golpe se inclina hacia atrás mientras trata de golpearte, el golpe dolerá menos. Cuando se observa una fuente de luz en movimiento, es igualmente válido considerarse uno en movimiento y que la fuente de luz sea estacionaria. (Ese es realmente el punto del término “relatividad”).

Donde TODAS las analogías se rompen es la parte completamente contraintuitiva de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores. Eso sería el equivalente a decir que el puño se movió a la misma velocidad con respecto a su cuerpo, ya sea que se detuviera o se moviera hacia atrás, PERO algún otro atributo del puño cambió (como su tamaño), de modo que cuando se inclinó hacia atrás, el impacto aún dolía menos a pesar de que su velocidad en relación con usted no había cambiado.

La cuestión de la “energía perdida” es la pregunta equivocada. Desde la perspectiva del espectador, nunca tuvo ningún “extra” y siempre tuvo esa cantidad, y algún otro objeto es visto como “tener el extra”.

Aquí hay un ejemplo aquí en la Tierra. Estás de pie junto a la carretera y alguien pasa junto a ti y luego arroja algo hacia atrás (en relación con el movimiento de su vehículo) pero apuntado hacia ti. Desde su perspectiva, “lo lanzaron muy duro, pero USTED estaba huyendo”. Desde su perspectiva, no lo lanzaron muy duro. Independientemente de la perspectiva, el objeto que se arroja no le hará mucho daño porque el objeto se mueve lentamente en relación con usted. Sin embargo, si arrojan el objeto antes de que su vehículo lo alcance, las velocidades se combinarán y el objeto realmente lo lastimará. Un ladrillo lanzado o una pelota de béisbol o lo que sea se comportará de una manera “normal” a medida que las velocidades se suman y restan.

Ahora imagine que las personas en el vehículo en movimiento lanzan uno hacia adelante y otro hacia atrás al mismo tiempo, mientras pasan a gran velocidad. ¿Cuál de sus objetos tiene más energía? Desde su perspectiva, los dos objetos son iguales (sus brazos empujados con la misma fuerza desde su perspectiva), pero desde su perspectiva el que se arrojó “hacia adelante” (en la dirección del movimiento del automóvil) se “ganó” y el que se arrojó “hacia atrás” ha “perdido algo” – la energía aún se conservaba a pesar de que su versión de la historia es diferente de su versión de la historia. (Ambos, correctos o correctos a pesar de que las versiones de la historia son muy diferentes, es la esencia de la Teoría de la Relatividad de Einstein).

La energía de un fotón hará lo mismo que la energía del objeto lanzado desde el automóvil, pero dado que ambos espectadores ven la misma velocidad para el fotón, entonces ven el cambio de color (o frecuencia) del fotón.

Hay una situación algo similar con el sonido aquí en la Tierra. Cuando un vehículo de NASCAR se aproxima a usted desde la izquierda (usted está sentado en la fila delantera), el vehículo emite un sonido agudo, pero luego de pasar, emite un sonido más agudo. La velocidad del sonido es la misma en el aire a ambos lados de usted, por lo que el tono o la frecuencia (el equivalente del color de la luz) tiene que cambiar. De hecho, puedes usar ese efecto para medir la velocidad de los autos. (Lo hice una vez con un video de YouTube y descubrí que los autos viajaban entre 140 y 145 MPH).

La energía de los fotones es siempre relativa. Imagine que acelera a lo largo de un rayo de luz láser de la misma frecuencia. A medida que ganas velocidad, ves los fotones láser cada vez más desplazados hacia el rojo. Cuando te acercas a la velocidad de la luz (en relación con tu velocidad original), la luz láser eventualmente se convertirá en un montón de ondas de radio débiles. ¿A dónde se fue su energía?

La respuesta es, por supuesto, que se mantuvo igual. Pero su energía relativa ha cambiado proporcionalmente.

Lo que esto significa es que a medida que el Universo se expande, se vuelve cada vez más enérgico. Esto da como resultado nuestra percepción de que la luz emitida hace mucho tiempo está perdiendo energía. Pero, de hecho, su energía se mantiene igual. No tiene a dónde ir. Es nuestra energía relativa que ha aumentado con el tiempo. ¿La fuente de esta nueva energía? Desconocido. Por eso lo llamamos energía oscura.

“Cuando el espacio a través del cual se mueven las partículas está cambiando, la energía total de esas partículas no se conserva”. – Sean Carroll, físico teórico de Caltech. Ver: la energía no se conserva

Cada cosa en el Universo está pasando por el espacio y el tiempo. Nos referimos a todo, incluyendo partículas, planetas, galaxias, cometas, nebulosa de gas, etc. Los fotones también pasan a través del espacio y el tiempo, y es por eso que tienen velocidad. Son partículas muy energéticas. Se desplazan hacia el rojo al pasar por el espacio y el tiempo porque encuentran algunas partículas, pueden ser gravitones y pierden energía. La ley de conservación de la energía no se viola. Hay gravedad en todas partes del universo y los fotones pasan a través de ese campo y esa es también una de las razones por las que se desplazan hacia el rojo. El espacio y el tiempo no están completamente vacíos o llenos de vacío como pensamos.

No diría que pierden energía, estrictamente hablando. En el referencial de emisión, no lo son. -> Es un efecto de cambio de referencial entre el emisor y los observadores “conectados” a ubicaciones cada vez más distantes (sus respectivas referencias se están moviendo cada vez más rápido en relación con la del emisor).

(Espero no decir cosas tontas aquí …)