指得是光波或者其他波动从重力场源(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。
简介
重力红位移或称重力红移指得是光波或者其他波动从重力场源(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。
定义
重力红移的程度常标记为变数''z'':
z=\frac{\lambda_o-\lambda_e}{\lambda_e}
其中
\lambda_o\,是极远处观测者所测量到的光子波长;\lambda_e\,是重力源如星球,其上的光源发方时所测量到的光子波长。
重力红移的现象可以从 广义相对论 预测:
z_=\frac{c^ 2r }
其中
z_\,是被自由空间中,极远处观察者所测到因重力而产生的 谱线 位移量。
K\,是牛顿重力 常数 ( 阿尔伯特·爱因斯坦 本身所用的标记;常用标记是G\,)。
M\,是光所逃离的星体质量。
c\,是真空中 光速 。
r\,是从星体中心算起的径向距离。
几项要点
光线的接收端(远方的观察者)必须处在较高的重力势才能观察到 红移 。一般讨论下,观察者处在无限远处,重力势定为0,是高于星球表面的重力势的。
许多大学的实验结果支持重力红移的存在。
重力红移不仅仅是 广义相对论 独有的预测。其他重力理论也支持重力红移,虽然解释上会有所不同。
重力红移并未要求一定是爱因斯坦方程式的史瓦兹旭尔得解——在这解中,变数M\,不能代表旋转或带电星体的质量。
最早的证实
1969年Pound-Rebka实验展示了 谱线 重力红移的存在。此由 哈佛大学 莱曼物理实验室的科学家所记载。
应用
由于如 地球 等 行星 质量并不算大,以致于重力红移现象不显著,故近地通讯并没有针对重力红移的修正需求,但是如全球定位系统(GPS)等较精准的设施则需考虑重力红移,方可准确运作。
重力 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
较常用到的重力红移精确解是针对非转动、不带电、球对称的质量。方程式的形式是:
z=\frac{\sqrt{1-\left(\frac{rc^2}\right)}}-1,
其中
G\,是重力 常数 ,
M\,是产生重力场之物体的质量,
r\,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 卡尔·史瓦西 坐标),
c\,是真空中 光速 。