CMB 宇宙背景放射 エネルギー保存則について

宇宙の晴れ上がりのあとにできた光子は宇宙の中を進みながら、宇宙の空間の膨張に合わせてその波長がのびるといいます。これは光子のエネルギーが失われていると思うんですが相互作用していない光子のエネルギーが減っているのはなぜでしょうか。どこにそのエネルギーは消えていってしまったのでしょうか。

No.5 回答者： yos1912 回答日時： 2022/06/14 20:13

まだ納得なさっていないようなので補足します。

　大砲の弾で言いたかったのは、視点(前回は慣性系といいました)が変わればその違いで、エネルギー量も変わるという事です。大砲のたとえで言えば、発射地点で見た場合と、動く物体から見た場合とでは弾の持つ運動エネルギーの大きさが違って見えます(運動エネルギーは相対速度の２乗に比例します)。

　光でもこれと同じ事が起こります。問題が理解できるかどうかは、視点が変わっていることに気づくかどうかがポイントになります。
　宇宙背景放射の光は物体の黒体放射によって放出されたものと考えることができます。この物体が現在見える場所は宇宙の地平線上にあると考えられます。この場所は亜光速で地球から遠ざかっていますから、光を放った物質も亜光速で地球から遠ざかっていると考えることができます。
　ここで考えかたを少し変えてみます。地球の近くを亜光速で通り過ぎる宇宙船から地球に向けて光を放ったとします。この光を地球から見るとドップラー効果により赤方変位を受けます。これは宇宙背景放射の赤方変位と区別ができませんね。
　それでは、同時に宇宙船からも放った光を観測できたとしたらどうでしょう。亜光速で遠ざかる地球があると言ったことは一切関係ありませんから、宇宙船から放った時から波長は全く変化していないはずです。
　整理すると、地球から見た場合と宇宙船から見た場合とで、同じ光でも、見える波長が違うということになります。これは、大砲の弾の運動エネルギーを発射地点から見た場合と、動いている物体から見た場合での違いと全く同じことになります。
　話をややこしくしているのは、宇宙の晴れ渡りの時に、地球(あったとしたら)と光の放射地点との間の相対運動はほぼ０だったと考えられることくらいでしょう。これも、光が到着した時点で、それまで地球の速度が加速していたかどうかは関係な糸見るべきです。ひょっとしたら減速していたかも知れないですね。関係するのは観測時点の相対速度だけです。

　根本的なところは＜宇宙の空間の膨張に合わせてその波長がのびるといいます＞という解釈のようですね。膨張に伴う後退速度の増加によって波長がのびると理解してください。

　補足です。光子が作られたのは宇宙の晴れ上がりの少し前です。この頃には宇宙には電子や陽子が高密度で充満していたと考えられています。光は、電場を作ったり消したりしながら進みますから、このような荷電粒子が充満していた環境では相互反応を起こしまっすぐ進む事ができません。
　その後、陽子が電子を捕まえることができるくらいまで宇宙の温度が下がるようになると、荷電粒子が水素原子(とわずかなヘリウム原子)に変わってなくなり、光がまっすぐどこまでも進む事ができるようになります。これの時点が宇宙の晴れ上がりです。

この回答へのお礼

では、宇宙と光子と地球からなる系で考えると光子のエネルギーが変化したようにみえるのは地球が膨張によって加速されているからであって、全体の系でみると宇宙の膨張のエネルギーに消えたと解釈できるという理解でいいですかね

お礼日時：2022/07/02 13:22

No.4 回答者： yos1912 回答日時： 2022/06/08 19:51

波長がのびる前の光はどこで観測したものですか。

　エネルギー保存則が成り立つのは一つの慣性系の中においてのみです。別の慣性系との間では成立しません。

No.3 回答者： yos1912 回答日時： 2022/06/05 17:50

光源から高速で離れていく物体から光源を見ると光のドップラー効果により波長が長くなり、見かけ上光のエネルギーが減少しているように見えます。

このことからいえるのは、エネルギーが減ったように見えるのは宇宙の膨張とは全く関係がないということはっきりいえます。
　問題を変えてみます。遠ざかっていく物体に向かって大砲を撃ったとします。物体の速度が大きなほど大砲の弾との相対速度が小さくなるので、物体から見た弾の見かけの運動エネルギーは小さくなります。それでは、この少なくなったエネルギーはどこにいったのでしょうか。これと同じ問題ですね。

この回答へのお礼

前者の例も後者の例も一つの観測者をおいてみればエネルギーは保存するはずです。でも宇宙背景放射は一つの観測者からみればエネルギーが保存しないように思います。
これについてはどう思われますか。

お礼日時：2022/06/08 19:14

No.2 回答者： chiha2525 回答日時： 2022/06/04 00:26

No.1 さんの回答どおり、拡散していると考えるほうが良いでしょうね。

CMBにちなんで、少し見方を変えると次のような感じになります。
宇宙の晴れ上がる前は全く遠くが見えなかったわけですが、晴れ上がった後の１秒後には、まわり１光秒の距離が見通せるわけです。でも１光秒より遠いところは１秒前の状況が見えているので、それより先は不透明なわけですね。１年後には１光年の距離が見通せて１光年より遠いところは不透明、１３７億年後には１３７億光年の距離が見通せてその先は不透明。この不透明なものというのがCMBなわけです。

ところで宇宙は加速膨張していることが分かってきました。これにより遠い将来には宇宙の加速が、私たちが見通せる光の距離を追い抜くと予想されます。つまり今後CMBは徐々に徐々に暗くなり、しまいには私たちと相互作用できる光の距離より遠くに行ってしまい観測できなくなってしまう運命なのです。
もし私たちがそのような状況になった宇宙で文明を発達させていたら、ビッグバン？そんな痕跡どこにもないじゃないか、となってしまったことでしょうｗ

No.1 回答者： head1192 回答日時： 2022/06/03 19:00

消えるのでなく拡散しているということ。

宇宙の全エネルギーは、ビッグバン直後は無限小に存在していた。
その後宇宙は拡大し、現在半径は少なくとも数百億光年。
エネルギーも空間の拡大に従って拡散し薄まっていった。
つまり「単位体積あたりのエネルギーは減った」。

光子とは電磁波でもある。
電気と磁気のエネルギーを伝播する。
電気と磁気のエネルギーも、空間の拡大とともに拡散する。
つまり伝播できるエネルギー量は減る。