16   重力场中的光线

引力红移：
    在引力场中，如果光源的位置低于观察的位置，观察到其光谱的频率相对较低，叫做引力红移。以前人们认为，引力红移是光子克服引力做功而形成的，即“光子势能说”，由于这一假说要求光子具有质量，这与当代理论产生不可调和的矛盾，经过反复的权衡，人们放弃了光子势能说。当前，人们用广义相对论来解释引力红移，根据广义相对论，引力场中的辐射源发射的光，就已经存在红移。但是，其具体的物理意义尚有争议。

1.重力场的质量关系能很好地说明引力红移
    在重力场中，物体的质量随高度的下降而减小，用质量关系可以方便地求解红移量，设转化成光子部分的质量为m0，设远离重力场频率为V0
    
     h为普朗克恒量，移到达重力场中r处，对外做功：
    
    由此可求得：
    …………………式16.1
    不同高度的光源辐射不同能量的光子，也是引力场中协变性要求，原子质量随着高度下降而减小，为维持协变性，原子内部的电场强度也将随之减弱，原子电场正是光子的来源。
    用穆斯保尔效应测量引力红移，有助于我们理解引力红移的本质，在哈佛25米高的塔中，当辐射源放在塔顶，受体放在地面时，光子能够被吸收，说明地面的原子具有较小的能级。反之，将源置于地面，受体放在塔顶时，光子不能被吸收，因为塔顶的原子具有更高的能级。也就是说，越靠近天体中心，原子的能级越低。

2.重力场的钟慢关系能很好地解释引力红移
   从塔顶观察地面的氢原子光谱，结果光谱频率更低，因为地面的钟相对更慢，这时观察到一个相对低的频率，即引力红移。根据重力场的时钟关系，不难求得引力红移值。

3.重力场尺度关系能很好地说明引力红移
     观测低处光源的波长，相当于用高处的尺恒量低处的尺，因为重力场中的尺“更长”，所以观察到重力场中的波长相对长，根据尺度关系：
   
    …………………式16.2
    此即无限远处观测重力场中r处光源的频率，我们看到，上述三种关系对引力红移的解释是一致的，如果按照当前重力场的：质量不变、尺度缩短、时间延缓关系，则不能得出一致的结论。

雷达回波延迟：
    对于重力场本身的观察者：虽然尺度变长了，光需要走更长的距离，但重力场中的钟更慢，两者关系是协变的，所以，在重力场本身中测量的光速为c：
    …………………式16.3
    而对于远离重力场的观察者：情况就有所不同，他将使用他自己（远处）的尺和钟来评价重力场中的光速，实际上重力场的尺更长，结果是观察者把路程缩短了，所以距离要乘以一个变换因子。而对于时间，观察者的钟显然更快，重力场中的钟要除以变换因子才等于观察者的钟，也就是说，观察者少算了光线经历的时间，于是，就得到远处观察重力场中r处的光速为：
   
    …………………………………式16.4
    为简便，我们将雷达波经历的路程分为两段，即从地球到太阳表面的距离，和太阳表面到对面行星的距离，而略去太阳直径，雷达波实际经历时间Ts为：
   
   
    式中为地球到太阳表面的距离，为对面行星到太阳表面的距离，为太阳半径，M为太阳质量。
    而理论预期时间为：
   
    实际时间减去理论预期时间即为雷达波延迟时间：
   
    对面是金星时，雷达波延迟时间：
   
    雷达波往返过程的时间延迟量为：
   
    与实际观测相符。
    对面是水星时，雷达波延迟时间为：
   
    与实际观测相符。

     至于光线在重力场中的偏转，实际上是光速差异的一种表现，如同光线穿过非均匀的大气，可以根据重力场中r处的光速表达式求解，并不是复杂深奥的问题。从某种意义上说，可以将引力场类似当做“介质”对待，当然是非均匀的“介质”。
    太阳引力场中的物质，因为引力场的之存而损失了一些质量，全部的质量损失大约相当于三分之一个月球质量。这些质量以热和光的形式散发，也就是说，物体在重力场中下落要释放能量，例如陨石的陨落，所以引力场本身并不具备质量特征。

                                         http://www.wlsyw.com   占礼葵 2007.6.18

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