如何檢驗引力理論（四）

　　2018-11-25 07:00

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　　上一周我們講到了兩個經典檢驗——光線偏折和水星進動，今天我們繼續這個話題。今天為大家介紹一種更好理解的現象，也是廣義相對論又一個偉大的預言——引力紅移。

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　　引力紅移

　　

　　光譜

　　什麼是紅移？我們先看一下可見光的光譜，如上圖所示。我們看到，橫坐標表示的是波長，而波長和頻率是成反比的，也就是說，波長越大，頻率越小，反之亦然。所以說，紅移，就是光波或者其他電磁波，因為某種原因，波長變長，頻率變小的一個過程。我們人眼可以看到的波長範圍的光被稱為可見光，一般來說，可見光指的是400～760nm波長的光，當然這個範圍因人而異。

　　我們之前提到過，廣義相對論認為，引力場中各處的時間流逝快慢是不一樣的，引力場越強的地方，時空彎曲的就越厲害，時間流逝就越慢。這裡大家要分清兩個概念，我們平時說鐘快了或者慢了，指的是時間的示數和標準時間的對比，例如現在是8點鐘，而你的手機上面卻是7點鐘，顯然你的鐘慢了。但是，你的手機上走過一分鐘所用的時間仍然和現實中一分鐘一樣，依然是秒針走一圈的時間。而這個問題上，我們所說的時間流逝快慢，指的則是走時率，就好比我們看視頻的時候，把視頻調成0.5倍速度或者2倍速度那樣。這兩個概念要區分開。

　　那麼什麼叫時間呢？這似乎是個難以回答的問題，奧古斯丁曾留下"時間是什麼？如果無人問我則我知道，如果我欲對發問者說明則我不知道"這樣的名言。不過，我們日常生活中，時間都是靠某種周期性運動來定義的，無論是年、月、日還是小時、分鐘。從古至今的各種計時工具，從日晷到原子鐘，也都是靠某種周期運動來製作的。

　　而如果想驗證廣義相對論關於時間的這一觀點，該怎麼做呢？最簡單的方法莫過於在太陽附近放一塊鍾，然後地球上再放一塊，再想辦法相互對比。但是這顯然是不現實的，太陽周圍溫度過高，實在難以做這樣的實驗。因此這時候我們需要求助於其他的一些東西，這時候，引力紅移的概念就大有可為了。

　　

　　引力紅移示意圖

　　所謂的引力紅移，就是指光的波長在引力的作用下被「拉長」的現象。

　　我們雖然不能直接觀測鍾，但是我們可以通過觀測太陽表面的原子，和地球上的原子相互對比。在這裡，我們需要觀測的是原子發射光子的頻率，顯然，這裡指的是固有頻率。顧名思義，同一種原子，發射同樣的光子的時候，其頻率應當是一模一樣的。而太陽附近的原子，由於上述效應，顯然它發射原子的頻率要小，這也就是所謂的紅移。

　　當然，我們上文也提到了，不止有一種紅移。多普勒紅移也是大家耳熟能詳的概念，它是由相對運動引起的。我們知道，地球也在公轉，太陽和地球自身也在做自轉，而且其表面發光原子的熱運動很不穩定，會有徑向的氣流噴涌，這樣會有一系列需要修正的地方。如果不修正的話，多普勒效應會比引力紅移的影響大得多。好在科學家們很聰明地儘可能減小了這些誤差。

　　目前，除了太陽之外，科學家們在天狼星的伴星等恆星上也發現了引力紅移的現象，與廣義相對論預言十分接近。而不能正確預言引力紅移的引力理論已經被篩選掉了。

　　話說回來，都有哪些紅移呢？我們不妨看下圖。第一種是相對運動引起的多普勒紅移，第二種是宇宙加速膨脹引起的宇宙學紅移，第三種則是我們今天主要談論的引力紅移。

　　

　　天文學上的三種紅移

　　除了上文提到的實驗之外，穆斯堡爾效應也是一個著名的和引力紅移有關的實驗。這個實驗是1958年，物理學家穆斯堡爾完成的，利用的是原子核、光子等高能粒子的碰撞，這裡涉及較多原子物理的知識，我們不再詳細介紹。這個實驗相當於驗證了狹義相對論的洛倫茲公式與質能方程，並為後續引力紅移實驗提供了基礎。穆斯堡爾也因此榮膺1961年的諾貝爾物理學獎。

　　未完待續

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　　作者：王紀堯

　　配圖：王紀堯

　　排版：王紀堯

　　責任編輯：解仁江

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