Wenn die Masse in einem expandierenden Universum nicht erhalten bleibt, warum nehmen wir dann an, dass Atomspektren konstant sind?

Ein Wasserstoffatom vor 6 Milliarden Lichtjahren (als sich das Universum weniger ausgedehnt hatte als heute) hat genau die gleiche Masse wie heute. Stellen Sie sich die Masse in ihrem sich mitbewegenden Bezugsrahmen vor, der lokal träge ist.

Es emittiert Licht mit der gleichen Frequenz wie hier auf der Erde (wobei unsere besondere Geschwindigkeit ignoriert wird). Die Frequenz aus 6 Milliarden Lichtjahren Entfernung wird durch die Entwicklungsgleichung für Rotverschiebung rotverschoben. Alles andere, was Sie angesprochen haben, ist irrelevant. In diesem Sinne bleibt die Masse eines Wasserstoffatoms erhalten. Das, was die Energie verliert, ist das Photon, und das geht in die Expansion ein, wenn Sie in Begriffen der Energieerhaltung denken wollen (dass Gravitationsenergie bei der Expansion erzeugt wird), oder dass die Energie verloren geht, wenn Sie der strengen Relativitätstheorie folgen wollen .

Als Antwort auf Rankins Kommentare unten hinzugefügt

Ja zum zweiten, nein zum ersten. Hier ist der Grund.

Die erste: Warum ändern sich weder die Rydberg-Konstante noch die Elektronenmasse in einem Gravitationsfeld? Die Elektronenmasse ist eine Eigenschaft des Elektrons. Früher nannte man sie Ruhemasse. Die Ruhemasse geht als Invariante in die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) ein, was sich ändern kann, sind Energie und Impuls. In einem lokalen Rahmen oder einem Trägheitsrahmen, der in GR irgendein frei fallender (nichts als Schwerkraft) ist, ist das seine Masse. In den FLRW-Universen zum Beispiel mit$k=0$(flach, aber wenn nicht, sind es ähnliche Beziehungen),$\rho a^{-3}$was sich bei der Expansion nicht ändert, mit einem Skalierungsfaktor des Universums. Die Dichte$\rho$ist Masse pro Volumeneinheit, und so bleibt die Masse invariant, wenn das Volumen sich ändert$a^3$. Die Entwicklung des Universums, als die Materie dominierte, geht so. Es stimmt mit allen kosmologischen Beobachtungen und Standardmodellen überein, die durch die neuesten CMB-Beobachtungen bestätigt wurden.

Die Energie ändert sich nicht, wenn das Universum von Materie dominiert wird. Aber wenn Strahlung dominiert (z. B. Photonen), verliert sie Energie in der Rotverschiebung. Es ergibt sich einfach aus den Gleichungen für FLRW der Photonen. Wenn Materie, Energie und kosmologische Konstante alle relevant sind, entwickelt sich jede auf ihre eigene Weise, Masse bleibt erhalten, Energie nicht.

Die Spektren von Sternen und Galaxien haben selbst von Quasaren und Weißen Zwergen keine Variation gezeigt, außer der, die durch die Rotverschiebung erklärt wird, mit Messungen dieser möglichen Variation von mehr als 1 Teil in$10^7$, sogar bei einer Rotverschiebung von 2-3 (oder einer Zeit von 10-12 Gyr).

In der speziellen Relativitätstheorie haben wir früher gesagt, dass die Masse wächst, wenn die Geschwindigkeit näher kommt$c$. Heutzutage sagt man sowohl in SR als auch in GR, dass die Masse eines Elementarteilchens eine Invariante ist, der Rest ist Impuls.

Nun zum zweiten, wie oder warum Massenenergie in GR nicht konserviert wird. Für Energie, die Sie bereits kennen. Bei der Masse gilt dies für Elementarteilchen, aber bei zusammengesetzten oder makroskopisch gebundenen Körpern kann sich die Masse ändern, da die Bindungsenergie, der innere Impuls oder vereinfacht die potenzielle Energie der Gravitation zur Masse beitragen können, und die Energie in dieser effektiven Ansicht (die Gesamtsumme Masse oder Energie, abgesehen vom äußeren Impuls, des zusammengesetzten Körpers). Als die beiden Schwarzen Löcher 2015 verschmolzen, war die Summe ihrer Massen also 3 Sonnenmassen weniger als die Masse des endgültigen Schwarzen Lochs. Die 3 Sonnenmassen gingen durch Gravitationsstrahlung verloren.

Und im Allgemeinen hat GR kein kovariantes Maß für die Energie von Gravitationswellen oder die Gesamtenergie in der Raumzeit. Für hochdynamische Raumzeiten oder Ereignisse ist es im Allgemeinen nicht erhalten. Für asymptotisch flache Raumzeiten können Sie globale (aber nicht lokale) Erhaltung erhalten, dh vom Fluss im Unendlichen (oder weit genug entfernt, wie wir und die Schwarzen Löcher).

Wenn Sie sich nicht ganz sicher sind, was in Energie und Masse enthalten sein soll, wie in den einfachen Fällen, die ich oben beschrieben habe, müssen Sie den vollen Spannungsenergietensor als Gravitationsquelle nehmen, der Energie, Impuls und Drehimpuls umfasst , und Stress.