[科普中國]-重力紅移

重力紅移或稱重力紅位移指的是光波或者其他波動從重力場源（如巨大星體或黑洞）遠離時，整體頻譜會往紅色端方向偏移。

簡介重力紅移或稱重力紅位移指的是光波或者其他波動從重力場源（如巨大星體或黑洞）遠離時，整體頻譜會往紅色端方向偏移，亦即發(fā)生“頻率變低，波長增長”的現(xiàn)象。1

定義重力紅移的程度常標記為變數(shù)z：

其中是極遠處觀測者所測量到的光子波長；是重力源如星球，其上的光源發(fā)出時所測量到的光子波長。

重力紅移的現(xiàn)象可以從廣義相對論預測：

其中

是被自由空間中，極遠處觀察者所測到因重力而產(chǎn)生的譜線位移量。

K是牛頓重力常數(shù)（愛因斯坦本身所用的標記；常用標記是G）。

M是光所逃離的星體質量。

c是真空中光速。

r是從星體中心算起的徑向距離。

幾項要點光線的接收端（遠方的觀察者）必須處在較高的重力勢才能觀察到紅移。一般討論下，觀察者處在無限遠處，重力勢定為0，是高于星球表面的重力勢的。

許多大學的實驗結果支持重力紅移的存在。

重力紅移不僅僅是廣義相對論獨有的預測。其他重力理論也支持重力紅移，雖然解釋上會有所不同。

重力紅移并未要求一定是愛因斯坦方程的史瓦西解——在這解中，變數(shù)M不能代表旋轉或帶電星體的質量。

最早的證實1959年龐德-雷布卡實驗展示了譜線重力紅移的存在。此由哈佛大學萊曼物理實驗室的科學家所記載。

應用由于如地球等行星質量并不算大，以致于重力紅移現(xiàn)象不顯著，故近地通訊并沒有針對重力紅移的修正需求。

重力紅移的主要應用是在天文學研究上，透過一些特定原子光譜的紅移，可以估計星球質量。

精確解重力紅移的精確解（exact solution）條列如下表:

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較常用到的重力紅移精確解是針對非轉動、不帶電、球對稱的質量體（即對應于史瓦西度規(guī)）。 方程的形式是：

其中

G是重力常數(shù)，

M是產(chǎn)生重力場之物體的質量，

r是觀測者的徑向坐標（類比于牛頓力學中從物體中心算起的距離，但事實上是史瓦西坐標），

c是真空中光速。

重力紅移與重力時間展長若利用狹義相對論的相對論性多普勒關系，來計算能量與頻率的變動（假設沒有令情況更復雜的路徑相依效應，比如旋轉黑洞的參考系拖拽效應），則重力紅移和藍移頻率比值會互為倒數(shù)，提示了所見的頻率改變對應于不同處時鐘速率不同。

參考系拖拽效應造成的路經(jīng)相依效應，若被考慮進來，則可能使這種分析方法失效，并且使得要建立起廣域皆認同的各處時鐘速率差異變得困難，雖然并非不能達到。

重力紅移所指的是觀察到的，而引力時間膨脹，則是用以指背后發(fā)生機制的推論（處于重力場中的發(fā)光源，由于它的時系比較慢，故它發(fā)出來的光頻，本來就會比較低）。

參見零測地線（null geodesic）

廣義相對論的精確解（exact solutions in general relativity）。

本詞條內容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所