引力与等效原理
引力红移
当光向上爬出引力井——离开一颗行星、一颗恒星或一个黑洞——它会损失能量,颜色朝光谱的红端偏移。一束从地面射上去的蓝光,抵达塔顶时会比离开时极其轻微地偏红一点。把光反过来发送、让它向井里更深处下落,它会获得能量并朝蓝端偏移。它必须逃离的井越深,红移就越大。
光子并不会减速——光永远以 c 传播——所以能量损失表现为频率的下降,对可见光而言这意味着颜色的偏移。这其实与引力时间膨胀是同一件事,只是透过光、而非透过钟来看。一列波的频率不过是一只数着波峰的钟;如果底部的钟走得慢,那么当这些波峰抵达顶部时,那里每秒经过的波峰更少,光看起来就更红。红移是时间变慢的光学面孔。
这一效应最早在地球上被牢牢确认,是 1959 年著名的庞德–雷布卡实验,它测量了伽马射线沿哈佛一座 22 米高塔下落时那微小的颜色偏移,与爱因斯坦的预言完美吻合。它也在宏大的尺度上被观测到:离开白矮星或中子星表面的光,抵达时明显偏红;在跨越太阳系比对钟表时也必须把它计入。它是一项干净、直接的检验,揭示引力如何深入到时间的流动之中。
Δλ/λ ≈ g h / c² (fractional redshift for light rising a height h in field g)
在场强 g 中上升高度 h 的光,红移比例约为 gh/c²——在地球上极小,在致密恒星附近则很大。
引力红移不是遥远星系的宇宙学红移(那来自宇宙膨胀),也不是退行光源的多普勒红移。三者都使光偏红,但成因不同;这里的成因是光所逃离的引力井之深度。
又称
另见