Доплеровское красное смещение. Допустим движущийся релятивистский объект, излучает световые волны во всех направлениях. Наблюдатели, находящиеся впереди объекта, будут видеть посиневшие фотоны, то есть фотоны с большей энергией, а наблюдатели позади увидят покрасневшие фотоны с меньшей энергией. В сумме же энергия всех фотонов будет неизменной.
Космологическое красное смещение фотона на пути от источника к наблюдателю принципиально отличается от обычного эффекта Доплера. Излучающая во все стороны галактика для находящихся по разные стороны (но на равном расстоянии) наблюдателей будет выглядеть одинаково покрасневшей. Хотя с точки зрения обычной логики такое рассуждение кажется странным. И в этом плане космологическое красное смещение похоже на гравитационное, при котором фотоны краснеют, преодолевая поле притяжения родительской звезды.
Это свойство нашей нестационарной и расширяющейся Вселенной — метрика пространства зависит от времени. Именно это и вызывает сомнения у автор вопроса: "
пространство и время расширяются с различной скоростью?". Я же уточню, не пространство и время, а пространство-время расширяется по
закону Хаббла, предсказанного задолго Фридманом (
метрика Фридмана) из решения полевых уравнений Эйнштейна в рамках однородной, изотропной, нестационарной модели Вселенной.
Таким образом, находясь в нестационарном мире, не только энергия фотонов, но и гравитационных волн как и кинетические энергии галактик и космических лучей, уменьшаются из-за расширения пространства-времени. Но метрика Фридмана работает только в космологических масштабах. Какова истинная метрика Вселенной во всех масштабах мы пока не знаем.
Если когда-то давно, какая-либо галактика излучила фотон с некой длиной волны, то сейчас мы его видим, как фотон с другой длиной волны. Исходя из красного смещения, равного разности этих длин, поделенной на исходную длину волны фотона, можно узнать, во сколько раз за это время расширилась Вселенная.