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电磁波引力红移的广义相对论严格解 陈绍光 摘要:根据广义相对论的Schwarzschild度规計算电磁波传播在引力场(实验室坐标系L.S.)的频率υL相对于传播在同样路径但是无引力场(局部惯性的坐标系I.S.)的频率υI之差δυ,得到的结果除了有爱因斯坦1911预言的因发射点2和接收点1的引力势U2和U1不同所产生的频率差△υE=υI( U1-U2)∕c2之外,还有路途中经过质量M的引力场所产生的频率差△υ=-υI4GM∕c2D,D为质量对电磁波经过的路径的垂直距离。 在引力场中传播的电磁波相对于在没有引力场的同样的路径中传播的电磁波而言会发生方向偏折、时间延迟和频率变化,偏折和时延问题都己经有广义相对论的严格解。但是频率变化的红移问题却尚无广义相对论的严格解。 现今普遍接收的引力红移率公式为发射点2与接收点1的频率差υ(2)-υ(1)与引力势之差U2-U1的关系: υ(2)-υ(1) U2-U1 βE ≡ ————————=-———— (1) υ(1) c2 式(1)早在1911年爱因斯坦【1】就用牛顿引力定律通过能量守恒原理预言了,1955年爱因斯坦【2】单用度规的时间分量——钟慢效应得到的引力红移率仍然是式(1),1972年S.Weinberg(温伯格)【3】用等效原理得到的引力红移率公式还是式(1)。式(1)表示的红移的含义是:发射点(2)与接收点(1)光波频率之差是由发射点与接收点的引力势之差导致原子能级跃迁的差异所引起的,与光传播路途中的引力场无关。式(1)最早是用太阳谱线来进行检验,按其本来含义,应先在太阳(发射点2)测量出某原子能级跃迁的光波频率(或波长),再在地球(接收点1)测出同一种原子能级跃迁的光波频率(或波长),从而得出红移量。实际上这是无法实现的,不仅是因为太阳温度太高无法去测量光波频率,更主要的是因为引力场影响光的频率的同时也会影响测量频率的仪器,即是说,引力场影响被测量的量的同时也会影响用于测量的标准。在一个坐标系中不同地点引力势的不同虽然已导致各处的频率互不相同,但测量出的频率却是处处相同的。同样,在一个坐标系中测量光的偏折也总是得到零的结果,因为引力场会以同一方式(度规方式)影响一切物理过程。总之,用一个坐标系描述的引力效应(包括红移、偏折、时延等)原则上就是不可观测的,从而也是没有物理意义的。 要使式(1)的引力红移成为可观测量,必须附加下述假定:假定1,引力场不会影响光波传播中的频率;假定2,存在一处处取消了引力的局部惯性系(I.S.),I.S.中的物理过程处处全同,也就是说,I.S.系中同种原子发射的光波频率处处都是一样的。根据假定2作一个I.S.系穿过太阳与地球,我们才能将太阳与地球的光谱线进行比较;再根据假定1我们才能将地球上接收到的太阳光谱线当成就是在发射处(太阳表面)的光谱线,从而式(1)表示的红移才可观测。但是其含义变成为有引力的L.S.系(太阳)与无引力的I.S.系(地球引力势取为零)的同种原子的跃迁频率之差,只有这样理解了式(1)的含义之后才可以将太阳谱线(L.S.)跟地球上的同种原子的谱线(I.S.)进行比较,式(1)才有物理意义。由此可见:可观测的引力红移是有引力的L.S. 系中频率υL与无引力的I.S. 系中频率υI 之差 δυ 。对光的偏折与雷达回波时延的检验,也是比较在有引力的L.S.系跟无引力的I.S.系中之差,仅在有引力的L.S.系中也是观测不到偏折与时延的。因为光总是沿测地线运动,L.S.系中的方向标准又正是测地线,仅在L.S.系中偏折无从说起。时延是指雷达波分别在有引力的L.S.系与无引力的I.S.系中传播一闭合行程所用的时间之差。仅有一个L.S.系,就只有一个闭合行程(只有一个所用的时间),从而不存在时间差,时延更无从说起。 使式(1)成为有物理意义的可观测量而附加的假定2是一个基本的事实,它只是表述了世界的统一性。若是宇宙中各处的同种原子及其光谱线互不相同,我们将无法观察和了解世界。对假定2没有人想否定它,当然也无法证实它。假定1则与爱因斯坦和S.Weinberg自已都分别强调指出过的‘引力作用下单独物质的能量不守恒’【4】【5】的普遍规律相矛盾,这是因为引力场可以与物质(电磁波)交换动能-能量,物质的动能-能量张量Tμν与引力场的动能-能量张量tμν之和的τμν=Tμν+tμν才是守恒量,单独物质(电磁波)的动能-能量並不守恒,因此引力场应该会影响光波传播中的频率(能量)。 红移的观测方法有干涉法、拍频法和光谱线系照相比较法等。干涉法(或拍频法)是直接比较两电磁波的波长(或频率),这是基于波动理论的描述。光谱线照相法是基于量子理论的,因为曝光的光化学反应是光子吸收的量子跃迁过程。光波与光子这两种描述方式应该是完全等效的。将用分光镜照相摄得的光谱线波长(或波数)与光的干涉现象中的波长(或频率)作比较时则 要特别小心:光谱线的频率υ是表示光子的能量 E∕h,等效到光波对应的是光波的能流密度。单色平面波的能流密度正比于单位长度中的波长的数目——波数ξ,同时正比于单位时间内波振动的次数——频率 f :E = hυ∝ fξ ,因 ξ=1∕λ,有 υ∝ f∕λ,照相的光谱线频率υ 既正比于光波的频率f,又反比于光波的波长λ,即是说,不但光波的频率f减小会使光谱线频率υ减小,而且光波波长λ增大也会使光谱线频率υ减小。波的频率f与波的波长λ是两个完全独立的物理量,f关系到时间,λ关系到空间。一般情况下(例如声波)f和λ可各自独立变化。只是在光波中由于光速是常数,才使得波的频率 f 与波的波长 λ 紧密相关到用一个就能代表另一个,好似不是彼此独立的,其实f与λ是彼此独立的物理量。由光波f=c∕λ和υ∝f∕λ 可得:υ∝ f 2 和△υ∕υ=2△ f ∕f ,因此人们常常将表示光子能量的光谱线的频率υ跟光波的频率f混为一谈,两者又常用同一个符号υ表示。请注意! 用拍频法(或干涉法)测得的红移率△ f∕f 只有光谱比较法测得的红移率△υ∕υ的一半,不过至今尚无用拍频法(或干涉法)测得的红移率数据。但是用度规计算光波的红移率时,必须计算光波的能流密度的变化才能正确预言谱线比较法的红移率值。也就是说,同时考虑到波长的变化与频率的变化两个因素的影响,才是光子能量 hυ 的变化。 下面以光波为例进行讨论,讨论的结果将普遍适用于所有频率的电磁波。由于我们不可能将现在接收到的光直接地与它过去发射时的状态相比较,为得到频率变化的观察值,只有比较远处来的光波波长与实验室中静止原子就地发射的光波波长。太阳光谱线引力红移的实际观测也正是比较有引力的L.S.中的波长(频率)与无引力的I.S.中的波长(频率)。我们可以沿光波来的路径作一个局部惯性坐标系(I.S.),因为在I.S.中取消了引力,实验室中静止原子发射的光波频率沿着I.S.传播将保持不变。红移观察值就是实验室坐标系(L.S.)中频率υL与局部惯性坐标系中(I.S.)频率υI的差值。前面已经从理论上论证了单一坐标系中不可能观测到偏折、时延和红移等引力效应,因此根据广义相对论计算引力红移,也应该是比较有引力的L.S.中的量与无引力的I.S.中的量,下面就来进行计算。 度规的一般表示为: ds2=-gμυdχμdχυ 对L.S. (2) ds2=-ηαβdξαdξβ 对I.S (3) gμυ 是有引力时的度规张量,μ,ν=0,1,2,3 ;ηαβ 是无引力时的度规张量,α,β= 0,1,2,3 。当上标符号与下标符号重合时则表示对所有可能指标相加求和。 |