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近日 广义相对论再次得到验证!

时间:2022-09-07 12:42:44

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近日 广义相对论再次得到验证!

在一项发布在《科学》杂志上的新研究中,天文学家发现,一颗恒星运行到距离人马座A*最近的位置时产生的引力红移现象与广义相对论预言的完美契合。

上述恒星即著名的S2,亦名为S0-2,天文学家已经对其展开了长期观测。实际上,去年的一项研究就曾表明,人马座A*强大的引力场对S2产生的引力红移现象与广义相对论的预言完美契合。而本次最新的研究结果则来自另外一组独立的观测,排除了系统误差的可能性,进一步验证了广义相对论。

S2以一个椭圆轨道环绕着人马座A*,当运行到距离人马座A*越近时,S2发出的光波就会被拉得越长,引力红移现象也就越明显。S2在3月速度达到最大值、5月运行到最接近人马座A*的位置、9月速度达到最小值。天文学家对这三个关键节点展开了详细观测,并分析了S2发出的光波的变化情况。另外,他们还结合1995年至观测,重建了S2完整的运行轨道。最终结果表明,爱因斯坦又对了!

所谓引力红移指的是,光波在引力场中被拉长,向红端移动的现象。由广义相对论可推知,当从远离引力场的地方观测时,处在引力场中的辐射源发射出来的谱线,其波长会变长一些,也就是红移。只有在引力场特别强的情况下,引力造成的红移量才能被检测出来。

在爱因斯坦完成广义相对论之前,他就已经得出引力将会影响光波频率和波长的结论。由于引力的作用,当向上行进远离地表的时候光波会损失一部分能量,从而波长变长,频率下降。

假设一个光脉冲从高处向下发出。光波向下运行到达地面,就好像跳水运动员由于受到重力的拽引相对于地面被加速,原本静止在地面的探测器相对于光向上做加速运动。相对于光脉冲而言,光源在发出光脉冲的时候是静止的;但是当光脉冲被探测到的时候,探测器迎着光脉冲运动。由于多普勒效应的影响,探测器测到的光波的频率变大。

在相对论中,一个没有重量,从而不被重力加速的自由落体观测者所处的参考系是一个"公正"的参考系。静止的观察者不能够判断光源和探测装置的相对运动,因为它们都处在重力场中,而这种情况可以通过加速地面和高台来等效地模拟。这些物理学家们把这种光波频率的改变称为引力红移而不是多普勒效应。

在广义相对论的理论中,重力会造成时间的膨胀,这就是所谓的重力红移或是爱因斯坦位移。

引力红移证明的现实现象:光线在引力场中地传播过程会损失能量,波长变长,频率下降。

引力红移的深层分析:

1)“弯曲空间”会阻碍物体的运动。

引力红移证明了光线在引力场中的运动会损失能量,广义相对论认为引力的本质是时空弯曲。因此,“弯曲空间”会阻碍物体的正常运动。物体在“弯曲空间”中的运动相比在“平直空间”的运动需要消耗更多的能量克服“弯曲”效应(“弯曲”效应是空间禀性,任何在弯曲空间中的运动都腰消耗能量克服弯曲空间——引力作用;然而,在平直空间中确不需要消耗这部分能量)。

2)弯曲时空中的引力势——“引力能级”。

引力是时空弯曲现象,引力只存在于弯曲空间中(平直空间中不存在引力)。由于时空曲率的不同,引力在空间的大小也不一样。相同曲率空间位置引力大小相等称为等势面。根据曲率的不同可以将时空化分为不同的等势面——“引力能级”。物体处在同一等势面(同一“引力能级”)引力不做功。物体在不同等势面之间运动引力做功。如果由“低能级”(引力小)向“高能级”(引力大)运动,引力做正功加速物体(比如,高空中坠落的物体)。如果由“高能级”向“低能级”运动,引力做负功阻碍物体的运动(比如,向高空抛物体)。物体由“高能级”向“低能级”运动时需要消耗更多的能量克服引力做负功。因此,在引力场强大的空间中运动的物体,“引力能级”和“弯曲空间”阻碍运动现象会更加明显!

引力红移的应用:引力红移可以帮助我们提高“光谱分析”的准确性,更科学地计算宇宙年龄和宇宙大小。

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