JOVANA
Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
All guides

引力红移与被弯折的星光

光从引力中爬出来时会失掉一点颜色,星光擦过太阳时光束会被弯折。我们把这两件事都追溯到同一个想法:引力使时空弯曲,连光也必须服从。

光向上爬时会「疲惫」

想象一束光从一口又深又深的井底出发,向上爬向井沿边的你。一个抛上去的球会随着上升而变慢,用速度换取高度。光无法变慢——它的速度对每个人都固定不变——于是它用另一种方式来交「过路费」:它损失一点能量,而对光来说,这意味着它的颜色朝红端偏移。一个向上发出的蓝色光子,抵达时会偏红一点点。这种光逃离引力时变红的现象,就叫引力红移

我们甚至不需要任何新定律,只用本阶梯开头的等效原理就能猜到这一点。想象一艘没有窗户的火箭正向上加速。从地板发出的光要过一会儿才到达天花板——而在这一会儿里,天花板已经加速了,于是它正在远离这束光,看到的光被多普勒效应推向红端。等效原理说,在太空中加速的火箭,和静止地处在引力中无法区分。所以对于逆着真实引力上升的光,必定发生同样的红移。不需要任何新假设;那个下落电梯的想法本身就要求如此。

红移与钟变慢是同一件事

美妙的转折在于:引力红移其实就是引力时间膨胀换了身行头。把一列光波想成一台钟,每过一个波峰就「滴答」一下。深陷引力井中的钟走得,于是它每秒往上送出的波峰更少。当你在高处接住它们——那里你自己的钟走得更快——这些波峰抵达时彼此拉得更开:波长更长,颜色更红。下方的钟变慢,与上方接到的光变红,是同一件事的两种说法。

   high up  (fast clock, thin gravity)
   you  ->  ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~   crests arrive far apart  =  REDDER
             \                  /
              \   light rises  /
               \   losing     /
                \  energy    /
   deep down ->   ||||||||||||   crests sent close together (slow clock)
   (source)        source emits blue

   slow clock below  <==>  redshift seen above   (one fact, two views)
处于引力低处的钟走得慢,于是它的光波抵达上方走得更快的钟时被拉长——变得更红。

连光也必须拐弯

同样的等效把戏还预言了一件更令人吃惊的事。让一束激光笔直地横穿那艘加速的火箭,从一面墙射向对面。在光横穿的过程中,火箭往上移动,于是光点落得比瞄准处*低*一丝——从舱内看,光束像是向下弯曲了。根据等效原理,引力必定以完全相同的方式弯折光。一束擦过大质量天体的星光,应当朝它弯过去。这就是光的弯折,它意味着光也不能豁免于引力——没有什么能豁免。

1919:为爱因斯坦加冕的那次日食

当太阳的光芒淹没了附近每一颗星,你要怎样观看星光从太阳旁边弯过?你得等一次日全食。1919 年五月,天文学家阿瑟·爱丁顿率领远征队,分赴非洲外海的普林西比岛和巴西。当月亮把太阳遮住时,他们拍下出现在太阳边缘紧邻处的恒星——再把这些底片,与几个月前在夜里拍摄的同一批恒星的照片相比较。

  1. 预言:擦过太阳边缘的光应当偏转约 1.75 角秒——爱因斯坦的完整数值,是旧牛顿猜测的两倍。
  2. 所见:一颗其实位于太阳边缘*背后*的星,看上去会被轻轻*向外*推开、远离太阳,因为它的光在奔向我们的途中被弯折了。
  3. 裁决:测得的偏移与爱因斯坦相符,而非牛顿。1919 年 11 月 6 日结果公布,第二天清晨,各家报纸便让他一夜之间名扬天下。

两条线索,一种弯曲

退一步看,红移与弯折并非两个各自独立的引力怪癖——它们是同一个想法的两副面孔。如果光在井底深处放慢了「滴答」(红移),又在大质量附近弯了路(弯折),那么最简单的说法就是:引力根本不是一种拉扯光的力。相反,质量重塑了那个舞台本身——弯曲的时空——而光什么也没做,只是尽可能笔直地前行,于是顺着这道弯走了下去。时间在空间弯曲之处变慢,光束朝着质量倾斜,是因为那才是穿过弯曲几何的最短路径。