Как неспециалисту объяснить, почему длина волны света увеличивается при расширении самого пространства?

Вот простое объяснение:

• Предположим, что источник света и наблюдатель находятся в расширяющемся пространстве.
• Теперь подумайте о двух последовательных гребнях волны, излучаемой источником света.
• Второй гребень испускается немного позже первого, поэтому пространство за это время немного расширилось.
• Следовательно, второй гребень должен пройти дальше, чтобы достичь наблюдателя, что занимает больше времени.*
• Следовательно, время между приходами гребней к наблюдателю больше, чем время между их выбросами в источнике.
• Это то же самое, что сказать, что частота волны меньше, или (поскольку скорость света та же самая) что длина волны больше.

* (И поскольку это занимает больше времени, пространство расширяется больше, пока оно путешествует, немного увеличивая время своего путешествия.)

вот объяснение обывателя:

Есть игрушка под названием Slinky , которая представляет собой свободно намотанную спиральную пружину, сделанную либо из пластика, либо из плоской проволоки. Если вы ее не видели, поищите ее, чтобы понять, как она выглядит.

Мы представляем Slinky, лежащий горизонтально на гладком полу, с раздвинутыми концами на некоторое удобное расстояние, чтобы соседние витки пружины были раздвинуты и не соприкасались. Если бы вы ложились на пол рядом с ним и смотрели на него сбоку, витки проволоки очерчивали бы синусоидальную кривую.

Теперь оттягиваем концы Слинки дальше друг от друга, как будто пространство, в которое он встроен, «расширяется». Мы замечаем, что расстояние между соседними витками проволоки увеличилось, и если смотреть сбоку на витки, синусоидальная форма пружины «сместилась», чтобы соответствовать более низкой частоте.

Это аналогично ситуации в расширяющемся пространстве, в которое встроены высокочастотные синусоидальные волны: по мере растяжения пространства синусоидальные волны растягиваются, и их частота смещается вниз.

Непрофессиональное объяснение расширяющейся Вселенной — это воздушный шар.

Но теперь вы должны представить, что наблюдатели ведут себя как точки на воздушном шаре, которые не растут, как волны на воздушном шаре.

В более техническом плане следует отметить, что не только экспериментатор, измеряющий красное смещение, не остается незатронутым расширением Вселенной, но и метрика остается той же (то есть метрика/пространство не расширяется).

Метрика Робертсона-Уокера $d s^2 = dt^2 - a(t)^2 \left[ \frac{dr^2}{1-k r^2}+r^2d\Omega^2\right]$является решением для идеализированной однородной изотропной вселенной, но вместо этого вселенная является грубой, и эту (расширяющуюся) метрику следует интерпретировать как среднее значение метрики. Это усреднение делается, например, в очень больших временных масштабах: даже для скоплений галактик мы не наблюдаем, чтобы они расширялись во времени.

Таким образом, причина красного смещения заключается не в расширении метрики (поскольку она не расширяется), а в гораздо большей степени в относительной скорости наблюдателя, как указывает Люршер в своем ответе. И интуитивное представление о красном смещении/эффекте Доплера, как он объясняет в своем ответе: увеличение временной задержки между двумя отдельными моментами или пиками волны.

Красное смещение возникает не из-за прямого вмешательства самого метрического расширения, а из-за обычного доплеровского сдвига, хотя и из-за скорости разделения между источником и детектором, которая сама зависит от расстояния между источником и детектором по закону Хаббла .

Просто для полноты упомяну, что первоначальная гипотеза о том, что красное смещение возникло из-за самого метрического расширения, исторически называлась гипотезой усталого света , но в настоящее время считается широко опровергнутой наблюдениями.