Hipotéticamente, si la luz atraviesa una región más densa del espacio, ¿se desplazará hacia el azul?

¡Si! Esto se llama desplazamiento gravitacional rojo o azul.

Es más fácil pensar en términos de potencial gravitacional (aunque sea un concepto newtoniano, no relativista, puede hacer que la conexión sea explícita). Hay un desplazamiento hacia el rojo para la luz “saliendo” de un potencial gravitacional, y un cambio azul para la luz “cayendo” un potencial gravitacional. Esto ha sido medido directamente por el famoso experimento de Pound-Rebka en 1959. El cambio azul es solo la inversión del tiempo del cambio rojo; Es el mismo fenómeno.

Este efecto es importante en algunos lugares astrofísicamente relevantes. Uno de mis ejemplos favoritos es el desplazamiento al rojo gravitacional de la superficie de una estrella de neutrones, que es lo suficientemente compacto como para que el desplazamiento al rojo sea muy importante.

Un ejemplo cosmológicamente relevante (y posiblemente exactamente en lo que estaba pensando) se llama el efecto Sachs-Wolfe, que cambia de color rojo y azul a los fotones CMB a medida que atraviesan regiones del espacio poco densas y muy densas. El desplazamiento hacia el rojo y el desplazamiento hacia el azul se cancelarían para un potencial estacionario (invariante en el tiempo), pero dado que hay regiones donde la densidad está creciendo (la materia cae juntas) o la densidad está cayendo, el potencial gravitacional que atraviesan los fotones no es estacionario. Esto deja una huella en los fotones CMB.

Depende de la topología del universo, ya que la luz podría estar yendo hacia ti y hacia ti al mismo tiempo, dependiendo de qué aspecto estés mirando.

Sin embargo, si el universo tenía la forma del nuestro:

No, si y no.

No, si se dirige hacia el observador “desplazado hacia el azul”, entonces se desacelera, por lo que parece acercarse al rojo. Sí, si se alejaba del observador “desplazado hacia el rojo”, entonces se desacelera, por lo que parece cambiar a azul. No, si toma la velocidad de la luz de acuerdo con su propio punto de vista, “se ve” a sí mismo como el mismo color de luz que siempre fue, independientemente de la densidad del espacio-tiempo.

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