引力红移
引力红移(Gravitational redshift)或称引力红移指的是光波或者其他波动从引力场源(如巨大星体或黑洞)远离时,整体频谱会往红色端方向偏移,亦即发生“频率变低,波长增长”的现象。原因是因为光子的能量从一开始的能量 在经过一段距离后,一部分转化为引力势能 而光子的能量正比于频率。[1]
定义
引力红移的程度常标记为变数z:
其中 是极远处观测者所测量到的光子波长; 是引力源如星球,其上的光源发出时所测量到的光子波长。
引力红移的现象可以从广义相对论预测:
其中
几项要点
- 许多大学的实验结果支持引力红移的存在。
- 引力红移不仅仅是广义相对论独有的预测。其他引力理论也支持引力红移,虽然解释上会有所不同。
最早的证实
1959年庞德-雷布卡实验展示了谱线引力红移的存在[2]。此由哈佛大学莱曼物理实验室的科学家所记载。这个实验团队在1965年发表了更加精确的引力红移的测量。
应用
由于如地球等行星质量并不算大,以致于引力红移现象不显著,故近地通讯并没有针对引力红移的修正需求。
引力红移的主要应用是在天文学研究上,透过一些特定原子光谱的红移,可以估计星球质量。
精确解
引力红移的精确解(exact solution)条列如下表:
不旋转 | 旋转 | |
不带电 | 史瓦西度规 | 克尔度规 (Kerr metric) |
带电 | 雷斯勒-诺德斯特洛姆度规 (Reissner-Nordström metric) | 克尔-纽曼度规 (Kerr-Newman metric) |
较常用到的引力红移精确解是针对非转动、不带电、球对称的质量体(即对应于史瓦西度规)。 方程的形式是:
,
其中
- 是引力常数,
- 是观测者的径向坐标(类比于牛顿力学中从物体中心算起的距离,但事实上是史瓦西坐标),
- 是真空中光速。
引力红移 与 引力时间展长
若利用狭义相对论的相对论性多普勒关系,来计算能量与频率的变动(假设没有令情况更复杂的路径相依效应,比如旋转黑洞的参考系拖拽效应),则引力红移和蓝移频率比值会互为倒数,提示了所见的频率改变对应于不同处时钟速率不同。
参考系拖拽效应造成的路经相依效应,若被考虑进来,则可能使这种分析方法失效,并且使得要建立起广域皆认同的各处时钟速率差异变得困难,虽然并非不能达到。
引力红移所指的是观察到的,而引力时间膨胀,则是用以指背后发生机制的推论(处于引力场中的发光源,由于它的时系比较慢,故它发出来的光频,本来就会比较低)。
参考文献
- ^ D. C. Chang. A quantum mechanical interpretation of gravitational redshift of electromagnetic wave. Optik. 2018, 174: 636–641. doi:10.1016/j.ijleo.2018.08.127.
- ^ R. V. Pound; G. A. Rebka, Jr. Gravitational Red-Shift in Nuclear Resonance. Phys. Rev. Lett. 1959, 3: 429.