Gravitational deplasare roșu 1

În fizica. deplasare gravitațională spre roșu este o manifestare a efectului unor modificări ale frecvenței sursei de lumină emisă (în general, orice unde electromagnetice) ca distanta de la obiecte masive, cum ar fi stele și găuri negre; se observă ca o deplasare a liniilor spectrale ale surselor de emisie apropiate organismelor masive din regiunea roșie a spectrului. Lumina vine din regiuni cu un câmp gravitațional mai slab, experiențele trecerea albastru gravitațională.

Efectele prejudecată nu sunt limitate numai la radiația electromagnetică, și se manifestă în toate procesele discontinue - departe de masivă obiect de particule elementare de frecventa Broglie (fotoni, electroni, protoni) decât pe suprafața sa, și toate procesele continue la o rată mai mare. Acest efect este una dintre manifestările particulare ale dilatarea temporală gravitațională.

redshift gravitaționale este de obicei reprezentat prin simbolul z G>:

schimbare roșu gravitaționale a fost prezis de Albert Einstein (1911) Dezvoltarea relativitatii generale (RTG) și câmpurile gravitaționale slabe este aproximativ egal cu

z G> - deplasarea relativă a liniilor spectrale sub influența gravitației, φ = - G M R >> și φ 0 = - G M r = - >> - valori potențiale gravitaționale la punctele de observație și emisiei, respectiv, G - constanta gravitațională a lui Newton; M - masa corpului gravitând, c - viteza luminii. r - distanța radială de centrul de masă al corpului până la punctul de radiație, R - distanța radială de centrul de masă al corpului până la punctul de observație.

Pentru lumina emisă la o distanță r de centrul de masă și a corpului de masă primită la infinit (R = ∞), deplasare gravitațională spre roșu este aproximativ egal cu:

Deoarece viteza de evacuare, la o distanță r de masa corporală M este egal cu

Formula universală pentru modificarea metricii de frecvență este aplicabilă oricărei teorii a gravitației, în ceea ce privește aplicabilitatea opticii geometrice (eikonal):

ν r> și ν e> - frecvența primite (primit) și radiat semnalul (emis), respectiv, sr> și se> - momente adecvate de oscilații, ur> și ue> - Receptor 4 viteze și putere și kr> și ke > reprezintă tangenta vector de lumină-like (semnal de undă vector 4) deplasate de-a lungul unui traseu paralel cu propagarea semnalului [2].

Slăbirea energia luminii emise de stelele cu gravitația puternică a fost prezis de John Mitchell înapoi în 1783. bazat pe teoria corpusculară a luminii, care este lipit de Isaak Nyuton. Efectele gravitației asupra luminii a fost investigată la momentul Pierre-Simon Laplace, și Johann von Soldner (1801), cu mult înainte de Albert Einstein într-un articol din 1911 despre lumina si gravitatea adus versiunea sa cu formula pentru acest efect.

Pentru a observa receptorul trebuie să fie redshift gravitațională într-un loc cu un potențial gravitațional mai mare. Care este sursa (deoarece potențialul - valoare negativă).

Existența deplasare gravitațională spre roșu este susținută de numeroase experimente, care sunt efectuate în fiecare an, la diferite universități și laboratoare din întreaga lume.

gravitational a prezis nu redshift numai în teoria relativității. Alte teorie a gravitației, de asemenea, a prezis deplasarea gravitațională spre roșu, deși explicația poate fi diferită.

schimbare roșu gravitaționale este prezentat, dar fără a se limita soluția Schwarzschild de ecuații ale teoriei generale relativității - în acest caz, masa M. a spus mai devreme, poate fi încărcat sau rotativ corp de masă.

Pound și experimentul Rebka în 1960 a demonstrat existența deplasare gravitațională spre roșu a liniilor spectrale. Experimentul a fost efectuat într-un turn de Lyman Laboratorul de Fizică Harvard University, folosind efectul Mossbauer; sursă și absorbant de raze gamma (57 fier-core) au fost unul de altul la o distanță de 22,5 m pe verticală într-un câmp gravitațional al Pământului. Frecvența relativă compensate în aceste condiții a fost de 2,57 x 10 -15.

redshift gravitaționale este activ utilizat în astrofizică. corecție relativistă la deplasarea spre roșu gravitațională este introdus în sistemele de poziționare globală prin satelit GPS-ceas la bord și GLONASS.

Din cauza încetinirea timpului

dilatarea timpului gravitaționale - un fenomen natural, care constă în schimbarea ritmului de timp (și, în consecință, ore) în potențialul gravitațional. Dificultatea principală în percepția acestui fapt este că teoriile timpului gravitatiei de coordonate, de obicei, nu coincide cu timpul fizic, masurata prin standard de ceas atomic.

Când se folosește teoria generală a formulelor relativiste pentru calculul energiei și modifică frecvența semnalului (presupunând că neglijăm efectele în funcție de calea cauzate de, de exemplu, spațiu de pasiune în jurul unei găuri negre rotative) valoarea gravitațională deplasare roșu este exact înapoi schimbare de culoare albastră. Astfel, ceasul de frecvență de schimbare observată corespunde unei diferențe de viteză relativă de accident vascular cerebral la punctele de transmisie și recepție.

În timp ce redshiftul gravitațională măsoară efectul observat, dilatarea timpului gravitaționale spune că este posibil să se concluzioneze, pe baza rezultatelor monitorizării. Adică, cu alte cuvinte: măsurare o schimbare unică roșu / albastru pentru orice metodă de a trimite semnale „out“ - „aici“, am ajuns la concluzia că același lucru cu ceasurile noastre există „într-un fel nu“, mai repede sau mai lent.

Pentru un câmp gravitațional static, redshiftul gravitațională poate explica pe deplin diferența în ritmul de timp la puncte cu un potențial diferit gravitațional. Pentru a cita Wolfgang Pauli: „În cazul unui câmp gravitațional static este întotdeauna posibil de a alege coordona timp, GIK cantitățile din ea au fost independente. Apoi, numărul de valuri ale fasciculului de lumină între două puncte P1 și P2 va fi, de asemenea, independent de timp și, prin urmare, frecvența luminii în fascicul, măsurată într-o scală de timp predeterminată, va fi identic cu P1 și P2, și astfel independent de punctul de observație“.

Cu toate acestea, în funcție de timp moderne de metrologie este determinat la nivel local pentru liniile de observare globale (în special - pentru același punct în spațiu în timp) (. Vezi definiția secundă) prin ceasurile atomice identice. Cu această definiție, rata de timp al ceasului specificat strict și va varia de la linie la linie (punct la punct), determinând diferența de frecvență disponibile, de exemplu, în Pound experiment - Rebka, sau deplasare roșu a liniilor spectrale emise de suprafață sau neutroni soarelui stele, își găsește explicația în diferența dintre ritmul timpului fizic (măsurat prin ceas atomic standard) între punctele de emisie și recepție. De fapt, deoarece viteza luminii este considerată a fi constantă, lungimea de undă este asociat rigid cu frecventa λ = c T = c / ν. astfel încât schimbarea în lungime de undă este echivalentă cu schimbarea și vice-versa frecvență.

Dacă la un moment dat sunt emise, de exemplu, flash de lumină sferică, oriunde în câmpul gravitațional de coordonate „timp“ intervalul dintre exploziile pot fi aceleași - prin selectarea adecvată a timpului de coordonate. Schimbarea efectivă a intervalului de timp măsurat determinat de diferența dintre ritmul de ceas standard, identic între radiația liniile mondiale și recepție. În cazul static, absolut indiferent de ce anume se desfășoară de semnalizare: flash-uri de lumină, denivelări undele electromagnetice, semnale acustice, gloanțe sau prin poștă colete - toate metodele de transmisie vor experimenta exact același „deplasarea spre roșu / albastru“ [4].

În cazul nestaționar general în mod precis și invariante pentru a separa „gravitațională“ trecerea de la „Doppler“ este imposibil, cum ar fi în cazul de expansiune a universului. Aceste efecte - de aceeași natură, și sunt descrise de teoria generală a relativității într-un mod unitar. Unele complicație a fenomenului de schimbare roșu la radiații electromagnetice apare atunci când înregistrată a propagării radiației nontrivial în câmpul gravitațional (efectele modificărilor dinamice ale abaterilor geometrice de optica geometrice. Existența lentile gravitaționale. Gravitomagnetism. Spațiu Antrenarea și așa mai departe, care face valoarea de compensare în funcție de calea de propagare a luminii) dar aceste detalii nu ar trebui să ascundă ideea originală simplu: viteza ceasului depinde de poziția lor în spațiul format ve și timp.

În mecanica newtoniană, explicarea redshiftul gravitațională este fundamental posibil - din nou, prin introducerea influenței potențialului gravitațional pe ceas, dar este foarte complicat și nu sunt transparente din punct de vedere conceptual. O metodă obișnuită de îndepărtare a deplasarea spre roșu ca conversia energiei cinetice a luminii E = ω ℏ în potențialul în centrul de apel la teoria relativității, și nu pot fi considerate valide. [5] În teoria lui Einstein a gravitatiei se explică redshift de potențialul gravitațional: acest lucru nu este altceva decât o manifestare a geometriei spațiu-timp, din cauza ratei relative a progresului timpului fizic.

ieșire euristic schimbare roșu gravitațională a proprietăților metrice ale spațiului-timp

Laboratorul accelerată constând din sursă și receptor gloanțe

schimbare roșu gravitational pot fi obținute prin utilizarea legii vitezei [6].

Luați în considerare unitatea constând din sursa de semnal (de exemplu, glonț) și receptor. Distanța dintre ele măsurate în cadrul de referință staționar, notat l. Când această setare se deplasează într-un vid cu o constantă de accelerare a →> în raport cu cadrul fix de referință, care, în conformitate cu principiul echivalenței. echivalent cu setarea camerei într-un câmp gravitațional uniform.

Apoi, a pus în receptor și sursa de aceeași τ o u t = τ tau i n = \ _> ceas. și să ceară un observator care este la punctul de „receptor“ pentru a compara progresul lor. Propria τ timp i n> el măsoară în mod direct, și pentru a măsura trecerea timpului la „sursă“, se va măsura frecvența semnalului de intrare. Viteza botului relativ la „sursă“ este notat cu w. a vitezei sursei la momentul trimiterii semnalului v. Apoi, folosind legea plus viteza, obținem viteza glonț u în sistem staționar:

Pentru a depăși semnalul la distanță de timp l petrece t. și receptorul pentru trecerea timpului de v t + t o 2/2/2> Din aceasta obținem ecuația .:

decide care T relativă. obținem:

Astfel, am ajuns la două decizii:

Evident, prima soluție în acest caz - de prisos.

Substituim u în formula (1) în formula t, și limitează astfel să ne w și v atât de mici încât putem debarasa mici termenii de ordine w 2> și 2. v:>

Setarea de viteză pentru τ timp. separarea trimiterea a două semnale consecutive [8]. crește cu τ și devine egal cu v + un τ. Prin urmare, diferența de timp a două semnale de transmisie succesive vor fi:

Modificări și l τ (funcție de viteză), am neglijat ca valori ordine corespunzătoare. “... Deci, ceasurile rula mai lent în cazul în care acestea sunt instalate în apropierea masei grele. Rezultă că liniile spectrale de lumina care ajunge noi de la suprafața stelelor mari au deplasat spre capătul roșu al spectrului, „a scris Einstein. [9]

Pentru a obține frecvență:

Notând diferența de potențial gravitațional pe suprafața stelelor și a suprafeței Pământului ca Δ = cp - un l. obținem:

Aceste expresii au fost derivate de Einstein în 1907 în cazul Δ Φ / c 2 „1 \ ll 1> [10].