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科学探索

广义相对论的验证,计算太阳的引力红移

科学探索万象经验2023-05-08

爱因斯坦说,太阳表面其实有一个钟,那就是光钟。不同元素发出的光其实都是以不同的频率振荡的钟,由于太阳的时间变慢了,所以光的频率就会变低。因此,同一根光谱线,在地球实验室拍的和在地球拍太阳的会不一样,后者会产生红移。

如图所示,在太阳表面和地球表面分别有静止的光源和静止的观察者。光源在坐标时刻t1发出一个光子,观察者在坐标时刻t2接收到这个光子。光源在坐标时刻t1'又发出一个光子,观察者在坐标时刻t2'接收到这个光子。在稳态时空中,我们可以得到以下关系:

应该注意的是,上面的时间是坐标时,而我们真实经历的时间是固有时。固有时和坐标时之间有以下关系:

因此,我们就可以利用坐标时与固有时之间关系,来求得两地之间固有时的关系,其中r1是太阳半径,r2是地球到太阳的距离:

由于两地得到的振动次数是一样的N1=N2,所以我们可以得到频率的关系:

引力红移是广义相对论所预测的一种效应,已被天文观测所证实。一般情况下,我们会使用红移的相对值来定义:

我们把有关太阳的参数带进去,可以得到相对红移的理论值为2.12x10^-6。