Гравитационное красное смещение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

В физике, гравитационное красное смещение является проявлением эффекта потери энергии светом 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 Народное толкование 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 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, что эта тема была настолько забыта и заброшенна до того как Эйнштейн вернул ее к жизни, вполне возможно, 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.

[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 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 не предполагает Шварцшильдовское решение уравнений общей теории относительности — в которых масса M не 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.

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] Народное толкование

Такой эффект ОТО, как «гравитационное изменение частоты», часто имеет неправильное толкование. Зачастую этот термин понимается так, как будто электромагнитное излучение, при распространении в области с Гравитацией, изменяет свою частоту. Имеющиеся в литературе сведения о неизменности частоты ЭМИ (например, Паули,Теория относительности, стр.214) не принимаются во внимание и игнорируются. Цитирую 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. ___ Таким образом, имеющаяся разность частот, например, в опыте Паунда-Ребки, или «красное смещение» спектральных линий, излученных с поверхности Солнца, или нейтронных звёзд имеет своё объяснение в разности замедления времени между точками излучения и приёма. Если в некоторой точке излучаются, например, сферические вспышки света, то в любом месте в области с Гравитацией интервалы между вспышками будут одинаковы, и кажущееся изменение интервала определяется разностью замедления времени между точками излучения и приёма. В свете вышеизложенного следует чётко определить смысл применяющихся терминов «гравитационное изменение частоты» и «красное смещение»: эти термины имеют своим источником обыкновенное замедление времени в области с Гравитацией. Никакого изменения частоты фотона при его прохождении из одной точки до другой не будет, пусть даже эти точки находятся в разной гравитации.

[править] Ссылки

Гравитация и электромагнитное излучение