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引力红移

引力红移,是强引力场中天体发射的电磁波波长变给责企失息县长的现象。由广义相对论可推知,当从远离引力场的地方观测时,处在引力场中的辐射源发射出来的谱线,其波长会变长一些,也就是红移。只有在引力场特别强的仅律深元艺情况下,引力造成的红移量才能被检测出来。引力红移现象首先在引力场很强的白矮星(因为白矮星表面的引力较强)上检测出镇离缺深客良同作企来。二十世纪六十年代,庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法,测量由地面上高度相差22.6米的两点之间引力势的微来自小差别所造成的谱线频率的移动,定量地验证了引力红移。结果表明实验值与理论值完全符合360百科

当发生相对运动的两个物体之间的距离相互远离时,在它们之间传播的电磁波的频率会变低,光谱线的这种位移称为红移。若是相互接近,频率会变高,称为紫移。

  • 中文名称 引力红移
  • 简介 电磁波波长变长的现象
  • 释义 科学名词
  • 运用科学 穆斯堡尔效应

理论

  在爱因斯坦完成广义相对论之前,他就已经得出来自引力将会影响光波频率和波长的结论。由于引力的作用,当向上行进远离地间审夜演测沉营杂区婷使表的时候光波会损失一部分能量,从而波长变长,频率下降。但是由于地球重力不是很强,这个效应并不明显。直到1960年,分没形采乙型底哈佛大学的Robert Pound和Glen Rebka文齐端艺灯践故才最终成功地通过测量验360百科证了这个关键的预言,并在《物教屋理学评论快报》(Physical Review Letters: PRL)上报导了他们的结果。今天,这个所谓的引力红移(Gravit误今ational Redshift)效应对于了解宇宙,以及操作全球定位系统(Global Positioning System: GPS)起着至关重要的作用。

  假设一个光脉冲从高处向下发出。光波向下运行到达地面,就好像跳水运动员由于受到重力的拽引相对于地面被加速,原本静止在地面的探测器相对于光向上做危村盟龙父心政作代存加速运动。相对于光脉冲而言,光源在发出光脉冲的时候是静止的;但是当光脉冲被探测到的时候,探测器迎着光脉冲运动。由于多普勒效应(Doppler Effect)的影响,探测器测到的光波的频率变大。

  在相对论中,一个例品远孙队还吗坚没有重量,从而不被重然马斗方局笔跑力加速的自由落体(Freefall)观测者所处的参考系是一个"公正"的照政项照伟介形介余当参考系(Impartial Reference Frame)。静止的观察者不能够判断光源和探测装置的相对运动,因为它们都处在重力场中,而这种情况可以通过加速地面和高台来等效地模拟。这些物理学家们把这套我举呼种光波频率的改变称为引快压低触间究合移式力红移而不是多普勒效应。

  在广义相对论的理论中,重力会造成时间的膨胀,这就是所谓的重力红移或是爱因斯坦位移。这个作用的理论推导从爱因斯坦方程式的施瓦氏解,以一颗光子在不带电、不转动、球对称质量的重力场运动,产生的红移统气能石这:

  产生的红移

  此处

  ·G是重力常数,

  ·M是备雷举南坚顶孔七尽吸创造出重力场的质量,

  ·r是观测者的径向坐标(这类似于传统中由中心至观测者的距离,但实际是施瓦氏坐标),和

  ·c是光速。

  重力红移的结果可以从狭义相对论和等效原理导出,并不需要完整的广义相对论。

  在地球上这种效应非常小,但是经由莫士包耳效应依然可以测量出来,并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到验证。然而,在黑洞附近就很显著,当一个物体接近事件视界时,红移将变成无限大,他也是在宇宙微波背景辐射中造成大角度尺度温度扰动的主要角色。

测量

  为了测量这种光波频率的细微改变,物理学家们必须找到一个频率能够被非常精确地测定的电磁波辐射源。直到1959年穆斯堡尔效应(Mössbauer Effect)被发现,实验的条件才具备。这种效应是由德国海德堡(Heidelberg)普朗克研究所(Max Planck Institute)的穆斯堡尔(Rudolf Mössbauer)发现的,并因此在两年后获得了诺贝尔奖。处于激发态的原子跃迁回基态的时候辐射出伽马射线(Gamma Ray)。穆斯堡尔发现,如果辐射伽马射线的原子核是包含在一块高质量晶体内的大量原子核中的一个,那么每一次辐射出来的伽马射线的能量几乎完全相同。辐射出来的伽马射线可以被另外一个处于基态的同一种原子核吸收,但是这种情况只有在辐射伽马射线的原子核和吸收伽马射线的原子核之间没有相对运动的时候才有可能发生。由于存在多普勒效应,任何相对运动意味着会导致光波的频率改变,从而不能被同一种的另一个原子核吸收。

实验

  P来自ound和Reb经利厚子女破游婷历力ka在哈佛大学的杰弗逊物理种态象速夜快点困有实验室(Jefferson Physical Laborat360百科ory)的塔顶,距离地面74英尺的高度,放置了这境名训始数样的一个伽马射线辐射源,并在地面设相则降出收律多宁律章千置了探测器。他们将辐射源上下轻轻地晃动,同时记录探测器测得的信号的强度。通过这种办法,他们可以确定为了补偿重力造成的频率改变观固六笑所需要的相对速度差,确定了相对速度差就可以知道频率改变了多少。

  然后,他们将整个使战实验装置反过来,辐射源放置在地表,而探测器放在塔顶,并测量频率的改变。结合上下两个方向的实验数据,他们可以消除由几个不同因素造成的实验误差。上下两个方向的实验测量结笑建乱门宪们果之间的差别很小,如果把光波原来的频率分成均匀的101具述屋话及游5份,频率的改变仅相当于占了其中的几份而已。但是这已经足够了,正是这个微小的差别体现了纯粹由引力造成的差别,这个实验在百分之十的精度内验证了爱因斯坦的理论组厚则语清显粉预言。到1964年的降困垂减皮哥无且促时候,他们又改进了这个实验,使得理论和实验在百分之一的精度之内吻合。

评论

  来自华盛顿大学(Washington University)的Clifford Will是这样评论的:这是一个卓越的科学成果,不仅仅因为这个实验是对相对论的一个经典检验,而坏亮在于非常具有独创性的实验设计。并且这个实验还带来了非常实用的成果:全球定位导航系统(GPS Navigational System),这个系统中由卫星携带的钟必须经常校正由于引力红移带来的误差。所以相对论的计算保证了货轮和战斗机能够按正确的路线前进。

  引力红移的经典解释:在强引力作用功宪沉至下,光的振动介质的密度变大,导致振动频率发生变化。

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