Vart tar fotonernas energi vägen?

Fotonerna i den kosmiska bakgrundsstrålningen har ju tänjts ut p.g.a. universums expansion. Därmed har de mindre energi än de hade från början. Vart tar energin vägen? Gravitoner är fortfarande hypotetiska men om de finns skulle de också tänjas ut och skulle det i så fall ha någon kosmologisk konsekvens?

Frågan ställdes 2025-05-29.

Svaret är helt enkelt att energin inte tar vägen någonstans – energi bevaras inte i den allmänna relativitetsteorin, och fotonernas energi bevaras därför inte. Det finns många olika sätt att komma fram till samma slutsats om fotonernas energi. Man kan t.ex. analysera det som en Dopplereffekt.

Men man kan också komma med ett mer allmänt argument. Energins bevarande är en så kallad bevarandelag, och sådana är viktiga inom fysiken. Ett annat exempel är rörelsemängdens bevarande. Den senare är på många sätt lite enklare att förstå, och säger att om inga yttre krafter påverkar ett objekt så är dess rörelsemängd (det vill säga massan gånger hastigheten) bevarad.

Det kan man ganska enkelt komma fram till genom att använda Newtons lagar. Men var kommer dessa bevarandelagar från? Jo, det finns ett berömt samband mellan bevarandelagar och symmetrier som upptäcktes av Emmy Noether och därför kallas Noethers teorem. Det säger (om vi hoppar över lite detaljer) att om det finns någon symmetri i ett fysikaliskt system så finns där en motsvarande bevarandelag. I fallet med rörelsemängdens bevarande är den motsvarande symmetrin translationssymmetri, dvs. att man kan flytta ett fysikaliskt system i rummet utan att utfallet av experiment förändras.

I fallet med energi är det en annan symmetri, nämligen tids-translationssymmetri, som på liknande sätt gäller om man kan flytta alla händelser i ett förlopp i tiden med en gemensam tidsförskjutning och fortfarande få samma resultat. Om det finns en sådan symmetri så bevaras energin.

Och nu kommer vi till poängen: vårt universum är inte symmetriskt under tidstranslation, utan universum expanderar. Det betyder att om man gör en observation nu och samma observation för en miljard år sedan så är inte universum detsamma, och vi får olika resultat av våra observationer. Därför bevaras inte energin. Det betyder att energin inte tar vägen någonstans alls. Den försvinner bara.

Trots detta så observerar vi att energi bevaras i de allra flesta sammanhang, och i alla experiment som görs på jorden eller i vårt solsystem så bevaras energin. Det beror på att avsaknaden av tidstranslationssymmetrin bara är relevant på väldigt stora tidsskalor eller avstånd, så stora att vi märker av universums expansion.

Detta gäller inte bara för fotoner, utan för alla typer av partiklar och strålning, som neutriner, protoner och gravitoner, så både gravitoner och gravitationsstrålning från det tidiga universum är rödförskjutna till längre våglängder, vilket är mycket viktigt för experiment som försöker detektera gravitationsstrålning från Big Bang.

Frågan besvarades av Rikard Enberg, professor vid Avdelningen för högenergifysik, Institutionen för fysik och astronomi.