Гравитационное красное смещение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

В физике, гравитационное красное смещение является проявлением эффекта изменения частоты света по мере удаления от массивных объектов, таких как звезды и черные дыры; оно наблюдаетя как сдвиг спектральных линий в красную область спектра.

Свет, приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, испытывает гравитационное фиолетовое смещение.

Содержание 1 Определение 2 История 3 Важные моменты 4 Экспериментальное подтверждение 5 Применение 6 Связь с замедлением времени 7 Объяснение 8 Ссылки

[править] Определение

Красное смещение принято обозначать символом z.

где:

λ_e — длина волны фотона, измеренная в точке излучения. λ_o — длина волны фотона, измеряемая удаленным наблюдателем.

Гравитационное красное смещение, или покраснение света, в общей теории относительности равно:

где:

z_approx — смещение спектральных линий под влиянием гравитации, измеряемое удаленным наблюдателем, G — гравитационная постоянная Ньютона, M — масса гравитирующего тела, c — скорость света, r — радиальное расстояние от центра.

[править] История

Ослабление энергии света, излучаемого звездами с сильной гравитацией, было предсказано Джоном Митчеллом еще в 1783 году, на основе корпускулярного представления о свете, которого придерживался Исаак Ньютон. Влияние гравитации на свет исследовали в свое время Лаплас и Иоганн Георг ван Солднер (1801) задолго до того как Альберт Эйнштейн вывел свой вариант формулы для этого эффекта в статье 1911 года о свете и гравитации.

Ленард обвинил Эйнштейна в плагиате за то, что он не процитировал более раннюю работу Солднера — однако, принимая во внимание, настолько эта тема была забыта и заброшена до того, как Эйнштейн вернул её к жизни, практически не подлежит сомнению, что Эйнштейн был не знаком с предыдущими работами. В любом случае, Эйнштейн пошел намного дальше своих предшественников и показал, что ключевым следствием из гравитационного красного смещения является гравитационное замедление времени. Это была очень оригинальная и революционная идея. Эйнштейн впервые предположил, что потерю энергии фотоном при переходе в область с более высоким гравитационным потенциалом можно объяснить через разность хода времени в точках приема и передачи сигнала. Энергия кванта электромагнитного излучения пропорциональная его частоте, согласно знаменитой формуле , где - постоянная Планка. Таким образом, если время для приемника и передатчика течет с разной скоростью, наблюдаемая частота тоже будет отличаться, а вместе с ней и энергия квантов излучения.

[править] Важные моменты

• Для наблюдения гравитационного красного смещения приёмник должен находиться в месте с более высоким гравитационным потенциалом, чем источник.

• Существование гравитационного красного смещения подтверждается многочисленными экспериментами, которые год от года проводятся в различных универсистетах и лабораториях по всему миру.

• Гравитационное красное смещение предсказывается не только в теории относительности. Другие теории гравитации тоже предсказывают гравитационное красное смещение, хотя объяснения могут отличаться.

• Гравитационное красное смещение проявляется, но не ограничивается Шварцшильдовским решением уравнений общей теории относительности — при этом масса M, указанная ранее, может быть массой вращающегося или заряженного тела.

[править] Экспериментальное подтверждение

Эксперимент Паунда-Ребке 1969 года продемонстрировал существование гравитационного красного смещения спектральных линий. Эксперимент был осуществлен в Лаймановской лаборатории физики Гарвардского университета.

[править] Применение

Гравитационное красное смещение активно применяется в астрофизике.

[править] Связь с замедлением времени

Гравитационное замедление времени — физическое явление, заключающееся в изменении темпа хода часов в гравитационном потенциале. Основная сложность в восприятии этого обстоятельства состоит в том, что в теориях гравитации временная координата обычно не совпадет с физическим временем, измеряемым стандартными атомными часами.

При использовании формул эффекта Доплера в специальной теории относительности для расчета изменения энергии и частоты (при условии, что мы пренебрегаем эффектами зависимости от траектории, вызванными, например, увлечением пространства вокруг вращающейся черной дыры), гравитационное красное смещение в точности обратно величине фиолетового смещения. Таким образом, наблюдаемое изменение частоты соответствует относительному замедлению хода часов в точке приема и передачи. Однако метод расчета гравитационного красного смещения через замедление времени становится слишком громоздким, если учитывать эффекты увлечения пространства, которые делают величину смещения зависящей от траектории распространения света.

В то время как гравитационное красное смещение измеряет наблюдаемый эффект, гравитационное замедление времени говорит, что можно заключить на основании результатов наблюдения.

[править] Объяснение

Для статического гравитационного поля, гравитационное красное смещение можно объяснить засчет разности хода часов в точках с различным гравитационным потенциалом.

Процитируем Вольфганга Паули: «В случае статического гравитационного поля всегда можно так выбрать временную координату, чтобы величины g_ik от неё не зависели. Тогда число волн светового луча между двумя точками P1 и P2 также будет независимым от времени и, следовательно, частота света в луче, измеренная в заданной шкале времени, будет одинаковой в P1 и P2 и, таким образом, независимой от места наблюдения.»

С другой стороны, согласно современной метрологии время определяют локально для произвольной точки пространства через тождественные атомные часы (см. определение секунды). При таком определении времени темп хода часов строго задан и будет различаться от точки к точке, в результате чего имеющаяся разность частот, например, в опыте Паунда-Ребки, или «красное смещение» спектральных линий, излучённых с поверхности Солнца или нейтронных звёзд, находит своё объяснение в разности темпа хода времени (точнее, стандартных атомных часов) между точками излучения и приёма (так как скорость света считается постоянной величиной).

Если в некоторой точке излучаются, например, сферические вспышки света, то в любом месте в области с гравитационным полем интервалы между вспышками можно сделать одинаковыми — путём соответствующего выбора временной координаты. Реальное изменение временного интервала определяется разностью темпа хода стандартных тождественных часов между мировыми линиями излучения и приёма. При этом в статическом случае абсолютно неважно, чем конкретно ведётся передача сигналов: световыми вспышками, горбами электромагнитных волн, акустическими сигналами, пулями или бандеролями по почте — все способы передачи будут испытывать абсолютно одинаковое «красное/фиолетовое смещение» (см. Мария Антуанетта Тонела. «Частоты в общей теории относительности. Теоретические определения и экспериментальные проверки.» // Эйнштейновский сборник 1967 / Отв. ред. И. Е. Тамм и Г. И. Наан. — М.: Наука, 1967. — С. 175−214.).

В свете вышеизложенного следует чётко определить смысл применяющихся терминов «гравитационное замедление времени» и «гравитационное красное смещение»: первое представляет собой физически измеряемый эффект, а второе - объяснение этого эффекта. В ньютоновской механике объяснение гравитационного красного смещения принципиально возможно — опять-таки через введение влияния гравитационного потенциала на ход часов, но очень сложно и непрозрачно концептуально. Распространённый способ выведения красного смещения как перехода кинетической энергии света в потенциальную в самой основе аппелирует к теории относительности и не может рассматриваться как правильный. В эйнштейновской теории гравитации красное смещение объясняется самим гравитационным потенциалом: это не что иное, как проявление геометрии пространства-времени, связанной с относительностью темпа хода часов.

[править] Ссылки

Окунь Л.Б., Селиванов К.Г., Телегди В.Л. "Гравитация, фотоны, часы" (Методические заметки) из УФН, 1999, том 169, № 10, с. 1141-1147