当光子在宇宙学上发生红移时,其能量会流向何处?为什么?

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当一个光子产生宇宙学红移,这个光子所含有的能量去了哪里呢?

这是因为在宇宙红移超光速的情况下,光子波长被迫拉长,其较弱的能量无法适应波长,能量和频率会被降低,但仍保持部分动质量。这些最后都转化为它的势能。

用简单点的话来说,光子在被发出后在被接收到前的这段时间里并没有与任何物质互相作用。它并没有获得或失去任何能量。能量之所以不同是因为观察者(也就是你自己)所在的空间坐标与光子到达时的空间及发出光子的介质所在的空间不同的,这是由于包括宇宙膨胀,遥远物体之间产生的运行速度,还有长久以来的重力势变化而导致的。

在宇宙红移中,光子被传播到更广阔的空间中,相对于恒星发出的光线,向长波方向移动。光子在红移中会损失部分能量,这部分能量转化为光子的整体势能。

一个宇宙光子所具备的能量是不会消失或转移的。动能并不属于物体的一种内在属性,它的价值是取决于它的观察者的。假设你开了一枪射出了一枚子弹,它是具有强大的动能的,对吗?但如果假设当我乘坐一架超音速飞机与这枚子弹并行飞行,并且伸出手抓住了这枚子弹。在我看来,这枚子弹是停滞的,同我的飞机相较是静止的。

当我抓住它的时候,并没有什么动能问题需要我担心;在我的空间参考里这枚子弹是静止的,因此它的动能为0。那能量究竟去哪了呢?答案是能量哪里都没有去;因为在两个完全不同并且并不兼容的空间里,答案永远都是不一致的。同样的道理也适用于宇宙光子。当我们测量那些光子,我们和发出光子的介质并不处于同一个空间坐标。

首先,我们是以相对速度相对于该介质进行着运动。其次,我们身处不同的引力环境下;现今时代的平均重力势相较宇宙初期稠密的重力要远远小的多。想象自己站在一个强重力场的物体表面(这个表面的重力势可以与问题中的光子被发出时的平均重力势相比较)而该物体正以高速相对于各向同性空间坐标进行运动(它相对于发出光子的介质确实是相对停滞不动的)这枚即将到达的光子的动能其实于它被发出时的动能是一样的。

2020-3-29

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