Гравитационное красное смещение

В физике, гравитационное красное смещение является проявлением эффекта изменения частоты испущенного некоторым источником света (вообще говоря, любых электромагнитных волн) по мере удаления от массивных объектов, таких как звёзды и чёрные дыры; оно наблюдается как сдвиг спектральных линий близких к массивным телам источников в красную область спектра. Свет, приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, испытывает гравитационное синее смещение.

Эффекты смещения не ограничиваются исключительно электромагнитным излучением, а проявляются во всех периодических процессах — вдали от массивного объекта де-бройлевские частоты элементарных частиц (фотонов, электронов, протонов) выше, чем на его поверхности, и все процессы идут с большей скоростью. Данный эффект является одним из частных проявлений гравитационного замедления времени.

Определение

Гравитационное красное смещение принято обозначать символом <math>z_G</math> :

<math>z_G =\frac{\lambda-\lambda_0}{\lambda_0} = \frac{\nu_0-\nu}{\nu}</math> ,

где:

<math>\nu</math> и <math>\lambda</math> — измеренная частота и длина волны фотона,

<math>\nu_0</math> и <math>\lambda_0</math> — лабораторная частота и длина волны фотона.

Гравитационное красное смещение было предсказано А. Эйнштейном (1911) при разработке общей теории относительности (ОТО), и в слабых гравитационных полях приблизительно равно

<math>z_G = \frac{V - V_{0}}{c^2} = \frac{GM}{c^2r} - \frac{GM}{c^2R} </math> ,

где:

<math>z_G</math> — относительное смещение спектральных линий под влиянием гравитации,

<math>V= -\frac{GM}{c^2R} </math> и <math>V_{0} = -\frac{GM}{c^2r}</math> — значения гравитационного потенциала в точках наблюдения и излучения соответственно,

<math>G</math> — гравитационная постоянная Ньютона;

<math>M</math> — масса гравитирующего тела,

<math>c</math> — скорость света,

<math>r</math> — радиальное расстояние от центра масс тела до точки излучения,

<math>R</math> — радиальное расстояние от центра масс тела до точки наблюдения.

Для света, излучаемого на расстоянии <math>r</math> от центра масс массивного тела и принимаемого на бесконечности (<math>R=\infty</math>), гравитационное красное смещение приблизительно равно:

<math>z_G =\frac{GM}{c^2r}.</math>

Поскольку первая космическая скорость на расстоянии <math>r</math> от тела массой <math>M</math> равна

<math>V_I =\sqrt{\frac{GM}{r}},</math> то формула для красного смещения может принять следующий вид:

<math>z_G =\frac{V_I^2}{c^2}.</math>

Универсальная формула для изменения частоты, приложимая в любой метрической теории гравитации в условиях применимости приближения геометрической оптики (эйконала):

<math> \frac{\nu_r}{\nu_e}=\frac{s_e}{s_r}=

\frac{\vec{u}_r\cdot \vec k_{r}}{\vec{u}_e\cdot\vec k_{e}},</math>

где

<math>\nu_r</math> и <math>\nu_e</math> — частоты принятого (recieved) и излучённого (emitted) сигнала, соответственно,

<math>s_r</math> и <math>s_e</math> — собственные времена колебаний,

<math>u_r</math> и <math>u_e</math> — 4-скорости приёмника и источника, а

<math>k_r</math> и <math>k_e</math> представляют собой касательный светоподобный вектор (волновой 4-вектор сигнала), параллельно перенесённый вдоль траектории распространения сигнала.

История

Ослабление энергии света, излучаемого звёздами с сильной гравитацией, было предсказано Джоном Митчеллом ещё в 1783 году, на основе корпускулярного представления о свете, которого придерживался Исаак Ньютон. Влияние гравитации на свет исследовали в своё время Пьер-Симон Лаплас и Иоганн фон Зольднер (1801) задолго до того, как Альберт Эйнштейн в статье 1911 года о свете и гравитации вывел свой вариант формулы для этого эффекта.

Филипп Ленард обвинил Эйнштейна в плагиате за то, что он не процитировал более раннюю работу Зольднера — однако, принимая во внимание, насколько эта тема была забыта и заброшена до того момента, как Эйнштейн вернул её к жизни, практически не подлежит сомнению, что Эйнштейн не был знаком с предыдущими работами. В любом случае, Эйнштейн пошёл намного дальше своих предшественников и показал, что ключевым следствием из гравитационного красного смещения является гравитационное замедление времени. Это была очень оригинальная и революционная идея. Эйнштейн впервые предположил, что потерю энергии фотоном при переходе в область с более высоким гравитационным потенциалом можно объяснить через разность хода времени в точках приёма и передачи сигнала. Энергия кванта электромагнитного излучения пропорциональна его частоте согласно формуле <math>E = \hbar \omega,</math> где <math>\hbar</math> — редуцированная постоянная Планка. Таким образом, если время для приёмника и передатчика течёт с разной скоростью, наблюдаемая частота излучения, а вместе с ней и энергия отдельных квантов, тоже будет различной для приёмника и передатчика. В 2010 году физикам удалось измерить эффект замедления в лабораторных условиях

Важные моменты

• Для наблюдения гравитационного красного смещения приёмник должен находиться в месте с более высоким гравитационным потенциалом, чем источник (так как потенциал — величина отрицательная).

• Существование гравитационного красного смещения подтверждается многочисленными экспериментами, которые год от года проводятся в различных университетах и лабораториях по всему миру.

• Гравитационное красное смещение предсказывается не только в теории относительности. Другие теории гравитации тоже предсказывают гравитационное красное смещение, хотя объяснения могут отличаться.

• Гравитационное красное смещение проявляется, но не ограничивается Шварцшильдовским решением уравнений общей теории относительности — при этом масса <math>M</math>, указанная ранее, может быть массой вращающегося или заряженного тела.

Экспериментальное подтверждение

Эксперимент Паунда и Ребки 1960 года продемонстрировал существование гравитационного красного смещения спектральных линий. Эксперимент был осуществлён в башне Лаймановской лаборатории физики Гарвардского университета с использованием эффекта Мёссбауэра; источник и поглотитель гамма-квантов (ядра железа-57) находились друг от друга на расстоянии 22,5 м по вертикали в гравитационном поле Земли. Относительный сдвиг частоты в этих условиях составлял 2,57·10⁻¹⁵.

Применение

Гравитационное красное смещение активно применяется в астрофизике. Релятивистская поправка на гравитационное красное смещение вводится в бортовые часы спутников глобальных систем позиционирования GPS и ГЛОНАСС.

Связь с замедлением времени

Гравитационное замедление времени — физическое явление, заключающееся в изменении темпа хода времени (и, соответственно, часов) в гравитационном потенциале. Основная сложность в восприятии этого обстоятельства состоит в том, что в теориях гравитации временная координата обычно не совпадет с физическим временем, измеряемым стандартными атомными часами.

При использовании формул общей теории относительности для расчёта изменения энергии и частоты сигнала (при условии, что мы пренебрегаем эффектами зависимости от траектории, вызванными, например, увлечением пространства вокруг вращающейся чёрной дыры) гравитационное красное смещение в точности обратно величине фиолетового смещения. Таким образом, наблюдаемое изменение частоты соответствует относительной разности скорости хода часов в точках приёма и передачи.

В то время как гравитационное красное смещение измеряет наблюдаемый эффект, гравитационное замедление времени говорит, что можно заключить на основании результатов наблюдения. То есть, говоря иными словами: измеряя единое красное/фиолетовое смещение для любого способа посылки сигналов «оттуда»—"сюда", мы приходим к выводу, что одинаковые с нашими часы там идут «как-то не так», быстрее или медленнее.

Для статического гравитационного поля, гравитационное красное смещение можно полностью объяснить разностью темпа хода времени в точках с различным гравитационным потенциалом. Процитируем Вольфганга Паули: «В случае статического гравитационного поля всегда можно так выбрать временную координату, чтобы величины g_ik от неё не зависели. Тогда число волн светового луча между двумя точками P1 и P2 также будет независимым от времени и, следовательно, частота света в луче, измеренная в заданной шкале времени, будет одинаковой в P1 и P2 и, таким образом, независимой от места наблюдения.»

Однако согласно современной метрологии время определяют локально для произвольной мировой линии наблюдателя (в частном случае — для одной и той же точки пространства с течением времени) через тождественные атомные часы (см. определение секунды). При таком определении времени темп хода часов строго задан и будет различаться от линии к линии (от точки к точке), в результате чего имеющаяся разность частот, например, в опыте Паунда — Ребки, или красное смещение спектральных линий, излучённых с поверхности Солнца или нейтронных звёзд, находит своё объяснение в разности темпа хода физического времени (измеряемого стандартными атомными часами) между точками излучения и приёма. В самом деле, так как скорость света считается постоянной величиной, то длина волны жёстко связана с частотой <math>\lambda=cT=c/\nu </math>, поэтому изменение длины волны равносильно изменению частоты и обратно.

Если в некоторой точке излучаются, например, сферические вспышки света, то в любом месте в области с гравитационным полем координатные «временные» интервалы между вспышками можно сделать одинаковыми — путём соответствующего выбора временной координаты. Реальное же изменение измеряемого временного интервала определяется разностью темпа хода стандартных тождественных часов между мировыми линиями излучения и приёма. При этом в статическом случае абсолютно неважно, чем конкретно ведётся передача сигналов: световыми вспышками, горбами электромагнитных волн, акустическими сигналами, пулями или бандеролями по почте — все способы передачи будут испытывать абсолютно одинаковое «красное/фиолетовое смещение».

В нестационарном же случае вообще точным и инвариантным образом отделить «гравитационное» смещение от «доплеровского» невозможно, как например, в случае расширения Вселенной. Эти эффекты — одной природы, и описываются общей теорией относительности единым образом. Некоторое усложнение явления красного смещения для электромагнитного излучения возникает при учёте нетривиального распространения излучения в гравитационном поле (эффекты динамического изменения геометрии, отклонений от геометрической оптики, существования гравитационного линзирования, гравимагнетизма, увлечения пространства и так далее, которые делают величину смещения зависящей от траектории распространения света), но эти тонкости не должны затенять исходной простой идеи: скорость хода часов зависит от их положения в пространстве и времени.

В ньютоновской механике объяснение гравитационного красного смещения принципиально возможно — опять-таки через введение влияния гравитационного потенциала на ход часов, но это очень сложно и непрозрачно с концептуальной точки зрения. Распространённый способ выведения красного смещения как перехода кинетической энергии света <math>E = \hbar \omega</math> в потенциальную в самой основе апеллирует к теории относительности и не может рассматриваться как правильный. В эйнштейновской теории гравитации красное смещение объясняется самим гравитационным потенциалом: это не что иное, как проявление геометрии пространства-времени, связанной с относительностью темпа хода физического времени.

Эвристический вывод гравитационного красного смещения из метрических свойств пространства-времени

Гравитационное красное смещение можно получить, используя закон сложения скоростей.

Рассмотрим установку, состоящую из источника сигнала (к примеру, пуль) и приёмника. Расстояние между ними, измеренное в неподвижной системе отсчёта, обозначим <math>l</math>. При этом установка двигается в пустоте с постоянным ускорением <math>\vec{a}</math> относительно неподвижной системы отсчёта, что, согласно принципу эквивалентности, равнозначно помещению установки в однородное гравитационное поле.

Далее, поместим в приёмник и источник одинаковые часы <math>\tau_{out} = \tau_{in}</math>, и попросим наблюдателя, который находится в точке «приёмника», сравнить их ход. Своё собственное время <math>\tau_{in}</math> он измерит непосредственно, а чтобы измерить ход времени в точке «источника», он будет измерять частоту приходящего сигнала. Скорость пули относительно «источника» обозначим как <math>w</math>, скорость самого источника в момент посылки сигнала <math>v.</math> Тогда, пользуясь законом сложения скоростей, получаем скорость пули <math>u</math> в неподвижной системе:

<math>

        u = \frac{w+v}{1+ wv / c^2} = \frac{c^2 (w+v)}{c^2 + wv}. \qquad (1)

</math>

На преодоление расстояния <math>l</math> сигнал затратит время <math>t,</math> а приемник за это время сместится на <math>vt + at^2 / 2.</math> Отсюда получаем уравнение:

<math>ut = l + vt + at^2 / 2,

</math>

решив которое относительно <math>t,</math> получим:

<math>

        t = \frac{u-v}{a} \cdot \left [ 1 \pm \left (1- \frac{2al}{(u-v)^2} \right) ^{-1/2} \right]

</math>

или приближённо:

<math>

        t = \frac{u-v}{a} \cdot \left [ 1 \pm \left (1 + \frac{la}{(u-v)^2} + \cdots \right) \right].

</math>

Таким образом, приходим к двум решениям:

<math>

       t_1= - \frac{l}{u-v}, \qquad t_2= 2 \frac{u-v}{a}+ \frac{l}{u-v}.

</math> Очевидно, что первое решение в данном случае — лишнее.

Подставим <math>u</math> из формулы (1) в формулу для <math>t</math> и при этом ограничимся <math>w</math> и <math>v</math> столь малыми, чтобы мы могли отбросить малые члены порядка <math>w^2</math> и <math>v^2:</math>

<math>

       t = \frac{l(c^2 + wv)}{wc^2}= l \left( \frac{1}{w} + \frac{v}{c^2} \right).

</math>

Скорость установки за время <math>\tau</math>, разделяющее посылку двух последовательных сигналов, увеличится на <math>a \tau</math> и станет равной <math>v+a \tau</math>. Поэтому разница во времени прохождения двух последовательных сигналов составит:

<math>

       \Delta t = \Delta \tau = l \left( \frac{1}{w} + \frac{v+a \tau_0}{c^2} \right) - l \left( \frac{1}{w} + \frac{v}{c^2} \right) = \frac{a l \tau_0}{c^2}

</math>

и в итоге

<math>

        \frac{ \Delta \tau}{ \tau_0} = \frac{al}{c^2} \Longleftrightarrow \tau_1 = \tau_0 \left(1+ \frac{al}{c^2} \right).

</math>

Изменениями <math>l</math> и <math>\tau</math> (функции скорости) мы пренебрегли, как величинами соответствующего порядка малости. «…Итак, часы идут медленнее, если они установлены вблизи весомых масс. Отсюда следует, что спектральные линии света, попадающего к нам с поверхности больших звёзд, должны сместиться к красному концу спектра», писал Эйнштейн.

Для частоты получим:

<math>

       \frac{ \Delta \nu}{ \nu_0} = \frac{al}{c^2} \Longleftrightarrow \nu_1 = \nu_0 \left(1- \frac{al}{c^2} \right).

</math>

Обозначив разность гравитационных потенциалов на поверхности звезды и поверхности Земли как <math>\Delta \Phi = - al,</math> получим:

<math>

        \tau_1 = \tau_0 \left(1- \frac{ \Delta \Phi}{c^2} \right); \qquad \nu_1 = \nu_0 \left(1+ \frac{ \Delta \Phi}{c^2} \right).

</math>

Эти выражения были выведены Эйнштейном в 1907 году для случая <math>\Delta \Phi / c^2 \ll 1</math>.

Ссылки

• [ufn.ru/ru/articles/1999/10/d/ Окунь Л. Б., Селиванов К. Г., Телегди В. Л. «Гравитация, фотоны, часы». УФН, 1999, том 169, № 10, с. 1141—1147.]
• [www.ufn.ru/ufn60/ufn60_12/Russian/r6012b.pdf Р. В. Паунд, «О весе фотонов». УФН, 1960, № 12, том 73, с. 673—683.]