Это довольно легко объяснить, если мы возьмем классический взгляд на электромагнитную волну. По мере того как электромагнитная волна от далекой звезды распространяется к нам, пространство, через которое она распространяется, расширяется. Поскольку пространство расширяется, пики и впадины электромагнитной волны отдаляются друг от друга. Это соответствует увеличению длины волны и уменьшению частоты; возникает красное смещение.

Редактировать:

Я думаю, вы воображаете, что «сама метрика пространства расширяется» означает, что определение расстояния меняется.$^{†}$, но это не так. «Метрика расширения пространства» означает, что сами расстояния меняются. Поскольку электрон и протон подвергаются расширению пространства, в котором они находятся, электростатическое притяжение между ними (говоря в грубо неквантовых рамках) стягивает их «снова вместе» и поддерживает размер атома.

Аналогия с «резиновым листом» немного опасна, но в данном случае я думаю, что она уместна. Расстояние между двумя объектами на расширяющемся резиновом листе увеличится, но не в том случае, если они соединены пружиной — в этом случае они сохранят свое относительное расстояние.

Это не волшебное исключение, которое позволяет атомам нашего измерительного прибора не подвергаться влиянию расширяющейся Вселенной; они не затрагиваются, потому что электростатические взаимодействия и связанная с ними квантовая механика, определяющие поведение субатомных частиц, не изменяются при расширении пространства.

$^{†}$это просто означало бы, что вселенная меняется от одного набора единиц к другому, что (как вы указываете) было бы физически и философски необнаружимым и, следовательно, бессмысленным.

Каковы наблюдательные/экспериментальные факты:

1) Атомы имеют определенные спектры с фиксированным рисунком, отпечаток пальца атома.

2) Чем дальше (измеряется по светимости) галактики вокруг нас, тем сильнее сдвигается рисунок отпечатков пальцев в красную часть спектра.

3) Это происходит равномерно повсюду.

Модель, которая соответствует этим фактам, — это общая теория относительности, которая предсказала поведение

В иерархии сил гравитационная сила является самой слабой . Это гарантирует, что атомы, материя в целом вплоть до размеров галактики сохранят свою структуру, аналогия хлеба с изюмом . Гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать незатронутыми даже скопления галактик, и , учитывая некоторые предположения относительно плотности энергии и решения уравнений общей теории относительности, гравитация может противостоять расширению и привести к большому сжатию.

Фотоны — это элементарные частицы, которые должны локально подчиняться закону сохранения энергии и импульса. Расширение Вселенной изменяет их импульс, и поэтому атомные спектры смещаются в сторону инфракрасного излучения.

сама идея собственно "метрики изменения пространства!" может показаться, что те из нас, кто находится внутри этой метрики пространства, не имеют ни малейшего представления о том, что такое расширение происходит: масштаб просто меняется для всего.

Именно тот факт, что материя связана силами, на которые расширение не влияет, позволяет нам измерить расширение. В противном случае вы правы, наши атомы тоже расширялись бы, и мы не увидели бы смещения атомных отпечатков пальцев.

FYI Интересно, я нашел эту статью,

http://arxiv.org/abs/0707.0380v1

куда обращаются авторы

точная проблема этого вопроса,

да и вся педагогическая идея «расширения пространства» — чушь .

Например, раздел 2.6.2 — это вопрос, идентичный ОП здесь.

2.6.2 Все расширяется?

Расширение аргумента против глобального расширения, приведенного в разделе 2.2, состоит в том, что его нельзя обнаружить, так как все будет просто расширяться вместе с ним.

По сути, они продолжают говорить, что, поскольку атомы не расширяются , мы можем измерить красное смещение , например,

Что действительно кажется асимптотическим ответом здесь.

«Детский» способ понимания расширяющейся вселенной таков: «космос» совершенно «обычен», и все галактики расширяются через него (как взрыв). Конечно, это неправильно.

Это не так. В ОТО нет разницы между «расширением пространства» и простым относительным движением. Это одно и то же явление, описанное относительно разных координат.

Вот аналогия. На грязном шаре размером с планету (земля без океанов, гор и т. д.) вырежьте несколько прямых (в виде большого круга) пешеходных дорожек от одного полюса к другому фиксированной ширины (скажем, 1 метр). По мере удаления от полюсов пешеходные дорожки удаляются друг от друга, достигая максимального расстояния на экваторе, а затем снова сходятся к другому полюсу.

Теперь рассмотрим эту ситуацию с точки зрения полярных координат (широта и долгота). Каждый путь имеет постоянную долготу. При изменении широты пути не расходятся и не сближаются; они остаются на фиксированном продольном разносе, в то время как масштабный коэффициент, связывающий долготу с физическим расстоянием, изменяется.

Разделение путей теперь незаметно, потому что сама метрика перемасштабируется? Нет. Вы не измените физическую реальность, выбрав для нее новые координаты. В полярных координатах координатная ширина пути уменьшается по мере увеличения коэффициента масштабирования, а это означает, что физическое расстояние между путями, измеренное с использованием ширины физического пути в качестве измерительной линейки, увеличивается так же, как и раньше. Уменьшение ширины координаты не является результатом физической силы, действующей против силы расширения. Силы расширения нет. Есть просто пути постоянной ширины, которые не знают или не заботятся о свойствах выбранной вами системы координат.

Это очень близкая аналогия. Космологии FLRW имеют приблизительную симметрию, аналогичную симметрии Земли вокруг оси вращения, а координаты FLRW аналогичны полярным координатам. Космологическое время — это широта, а пространственное положение — это долгота.

Законы физики действуют локально. Если посмотреть на любой небольшой участок земли (вдали от экватора), то пешеходные дорожки на нем расходятся. Это локальное расхождение (относительное движение) — это все, что на самом деле «видят» законы физики. Мы, люди, распознаем общую форму и большие круги и выбираем глобальные координаты, соответствующие глобальной симметрии. Это наш выбор. Вселенной все равно.

1: Неправильно говорить, что «все расширяется»: пространство расширяется, но объекты, связанные между собой силами (такими как гравитация), удерживаются на одном и том же расстоянии. Так что неправильно путать расширение и простое изменение масштаба.

2: Когда волна движется с некоторой скоростью, фронт 2 имеет задержку по сравнению с фронтом 1, и ему нужно некоторое время, чтобы преодолеть расстояние, чтобы достичь прежнего положения фронта 1. Но за это время расширение увеличило зазор, поэтому расстояние между фронтами (длина волны) увеличивается: это красное смещение.

Обратите внимание, что в вашем примере на самом деле будет красное смещение. Две сферы по-прежнему находятся на пропорционально равном расстоянии друг от друга, что означает, что они отошли друг от друга с точки зрения фиксированной несмещенной системы отсчета.