2.引力红移问题

引力红移问题1.问题的提出1907年爱因斯坦在《关于相对论原理和由此得出的结论》一文中，作出了关于引力对时钟的影响及引力红移的预言.他根据引力场与惯性力场等效的思想得出，一个处于引力场中的时钟，当所在点引力势为Ф时，它所指示的当地时间读数将是与它调准的不处在引力场中的同样读数的（1+Ф/c2）倍.“在这个意义上，我们可以说，在过程发生地点的引力势愈大，在时钟中发生的过程——一般说来是任何物理过程——也就进行得愈快.”同样的结论在1911年4月所发表的《引力对光传播的影响》一文中也给出了.在这篇论文中，爱因斯坦从等效原理出发，得出了光从无引力场的真空中的频率ν0到引力势为Φ中的频率ν的变化与引力势间的关系是ν=ν0(1+Φ/c2)，这与引力场中时钟读数的变化一致；同时结合波传播的惠更斯原理，得出光在经过引力场时传播方向发生朝向天体偏折的结论，偏折角为以后实际测量结果和广义相对论计算结果的一半.在这篇论文中，爱因斯坦根据等效原理还论证了静态引力场的光速不是常数，处于引力场为Φ的场中光速为c与真空中光速c0的关系是c=c0(1+Φ/c2).半年后，亚伯拉罕首次把这个结论推广到非静态场中，他尝试后发现把非恒定光速的思想推广到狭义相对论是不可能的.亚伯拉罕对此评论说：“c的可变性意味着洛伦兹群只能在无限小区域中成立.”这一论断后来被爱因斯坦马上发现【1】.著名的Pound-Rebka实验-----重力红移现象的发现已经证明了光速在地球垂直的方向上是在发生变化的.由于采用穆斯堡尔效应，科学家在实验室中验证了引力红移.庞德（Ｒ．V．Pound）与瑞布卡（G．A．Rebka）哈佛塔的著名实验证明了引力场可以使光子产生蓝移.从而间接地证明了爱因斯坦广义相对论的引力红移的存在.这个实验运用光子在地面重力场中的能量守恒关系得出方程．其中是光子在塔顶的频率，是光子经过重力场后到达塔底的频率，为塔高，为重力加速度.从上式可以看出光子频率的变化与它在引力场中运动的距离有关.在这个实验中，假设我们在塔顶与地面之间设定几个不同的测量点，根据上式，光子在这些不同的点上应当有不同的频率.1960年哈佛大学的物理学家以千分之一的精度测出了沿垂向下落23米的伽玛射线的频率移动(伽玛射线是一种高能电磁辐射).从1976年起．超稳定即精确度为一千万亿分之—的钟被放到了高空飞机上，那里的引力比地面上减弱的程度应当可以测量出来.这种飞行的电磁钟与在地面实验室里同样的钟作了比较.二者的速率确有差别，而且与广义相对论预言的结果完全一致.如果一个巨大的物体正好位于地球与恒星之间，那么来自恒星的光线就会受到时空弯曲的影响，它的传播路径就会被扭曲而偏离一定的角度.这种效应还会形成一种有趣的引力透镜现象，它使远处的恒星变得更亮，有时还会形成双像.广义相对论频移的物理机制，爱因斯坦做出的解释是：“一个原子吸收或发出的光的频率与该原子所处在的引力场的势有关”；而霍金的解释是“当光从地球引力场往上走，它失去能量，因而其频率下降”.在球对称引力场中距原点R处的光源发射周期为T0的光波，则无穷远处接受到的周期：相应的频率：笔者认为——广义相对论频移的本质是时空平权的反映，因为时空弯曲相当于距离的增加，等价于时间的延缓.2.引力红移问题疑点引力红移是根据广义相对论的等效原理提出来的.假定在一个高度为h的电梯的地板和天花板上放置两个全同的时钟.如果没有引力，电梯不动，这两个钟的快慢就是一样的（这个假定其实已经违背了广义相对论）.如果从天花板向地板发出一条光谱线，天花板上和地板上测出的谱线频率都一样，等于fo.如果电梯在引力场中自由落体，那么从天花板上发出的光线到达地板上时，电梯已经下落了一个时间t,地板上的接收器已经具有速度v.由于多普勒效应，地板上的接收器收到的光的谱线会发生红移.其红移量为：-Δf/f=Δλ/λ=v/c=gt/c=gh/c2根据等效原理，加速运动等效于引力场中的运动.因此gh=-

Δφ，-Δf/f=

Δλ/λ=-Δφ/c2光谱线在引力势低的地方会产生红移.比如说，太阳表面的引力势比地球上低，所以我们在地球上测量到的太阳表面的氢原子光谱会比地球上实验室里的氢原子光谱的波长稍微偏长，产生红移.因为太阳表面的势能比地球表面低，所以太阳表面相当于电梯的地板，地球表面相当于电梯的天花板.从太阳表面发射到地球的光相当于从电梯地板向天花板发出的光线，方向和上述托尔曼的电梯中的光线传播方向正好相反，因此光线到达地球表面被接收以后应该会产生蓝移，而不是红移.这岂不是和教科书上的结果正好相反？逻辑上虽然如此，但是教科书上的作者们总能编织出一套议论，绕来绕去地绕到这么一个结论：太阳表面来的谱线会产生红移.我们还可以用施瓦兹查尔德解来解释引力红移，同样有一个对ds和dt如何认定的问题.同样存在势能高低到底会产生红移还是蓝移的问题.广义相对论计算的太阳光谱红移的理论值是

dλ/λ

=2.12x10-6.最早观察太阳和恒星Sirius的伴星的光谱红移的是Adams和St.John.根据这两份报告，实验和理论符合得还好.但是这种符合存在很大的疑问.这里面有一些不确定因素会产生系统误差：1）太阳与地球之间的相对运动可能产生红移.只要每秒0.6公里的相对运动速度就足以产生方程dλ/λ

=2.12x10-6预言的0.000002的红移.2)太阳表面温度会造成等离子体中电子和离子的高速运动.估计碳，氮和氧离子的速度约每秒2公里，将产生三倍于理论预言的红移值.这将使谱线宽度为理论红移的六倍，使实验测量的可靠性大成问题.3）太阳表面不同地方的光谱红移不一样，有些地方的谱线甚至会产生蓝移而不是红移.一般将这种谱线移动的不规则性归因于太阳大气中分子的高速对流.可我们对这种分子对流速度的具体分布没有任何信息.因为这个关系，所谓的“红移的实验观测数值”就完全取决于实验者选择太阳表面的哪一点进行观测.“理论预言”的数值既可以是红移，也可以是蓝移，实验者都可以选择太阳表面的适当地方观测到理论“预言”的数值.至于从白矮星Sirius来的光谱，一个严重的困难是我们很难直接测量它的质量，只能借助于天体物理理论间接估算，红移的计算当然也就受质量不确定性的影响.实验观测的数值和理论预言也符合得不是太好.因为这些原因，人们并不认为太阳和白矮星光谱的红移足以证明广义相对论的正确.为了避免上述不确定性的影响，1960年Pound和Rebka在22.6m深的井口放置一个铁57同位素的伽玛射线源.伽玛射线的能量为14.4keV.在井底还是以铁57同位素作为接收器，通过莫斯鲍尔效应吸收伽玛射线.因为23米的井口和井底的势能相差很小，理论红移值仅为：dλ/λ=2.46x10-15读者们看见10的-15次方的精度，应该有一种本能的警惕.确实，这条伽玛射线的相对谱线宽度约1.13x10-12，比dλ/λ=2.46x10-15式给出的相对红移高出460倍！要从一条谱线中测出不到460分之一的谱线移动，显然是不可能的事.怎么办？实验者发明了一个技术，就是让伽玛射线源做上下正弦震荡，经过一些数据处理，他们宣布测量到了精确的红移数值，等于dλ/λ=2.46x10-15式预言的4倍！再怎么办？就像影视工作者的后期制作一样，实验物理学家们提出了一种解释，说红移的实验数值之所以等于广义相对论预言的4倍，是由于射线源和接收器所用的晶体不同，它们所处的温度也不同，等等.经过一些“不对称性”的处理之后，他们最终宣布：实验测量到的结果和dλ/λ=2.46x10-15式的理论值符合得非常好，误差不到5%.对于这样的“实验证实”的过程，人们不难想像，如果实验者们测量到的红移不是等于理论预言值的四倍，而是正好符合理论值，他们就会立即宣布证实了广义相对论，后面的所谓井口与井底的晶体不同造成实验值等于理论值的四倍的故事当然也就不会有了.如果加进这个故事以后，仍然不能得到与相对论预言相符的结果呢？他们还是会去寻找各种各样的理由来解释，直到与广义相对论符合为止.总之，潜规则是：尽量折腾以得到和广义相对论预言相符的结果.如果实在折腾不出满意的结果，就不发表，或者宣布实验失败.随着时间的流逝，人们就会忘记历史上曾经有过这样的“失败”，一如欧洲核子研究中心和美国费米实验室以前花了十几年探测上帝粒子的多次“失败”一样，许多人都不知道这些“失败”的实验历史上曾经有过.由此可见这一类实验解释的任意性，以及人们对待实验结果的选择性标准.一旦一个理论成为了流行的权威性理论，凡是印证它的实验都会被认为是可靠的实验证据，而和权