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请教陈氏弟子关于途中引力红移推导的问题?
[楼主] 作者:xuebinguo  发表时间:2004/12/19 15:41
点击:214次

参见 szshanshan 发的 58859 帖


Schwarzschild 度规

   ds 2=〔1-(2GMc2r)〕c2dt2


               -〔1-(2GMc2r)〕-1 dr 2


              r 2dθ2  r 2sin2θdφ2                 


将它转变到笛卡尔坐标系并忽略掉Uc22项,U = GM r是牛顿引力势,r是离质奌M的距离,则实验室坐标系L.S.中的度规变成:


 ds 2=〔1-(2Uc2 )〕c2dt 2 -〔1+(2Uc2 )〕(dx2dy2dz2  

[[xuebinguo: 这里的 U (让我先记作 U',以示和前面的区别)难道不应该是 GM/r'? 有 r = r'* sqrt(1+GM/2r'c2),和前面的 U 是不同的。你只说要略去Uc22项,不能连Uc2项也给略去吧?以下应该都用 U' 表示]]

 

ds 2=-gμυdχμdχυ   中的               


 g 00 =-12Uc2 g11g22g3312Uc2gμυ=0 μ≠υ。


让局部惯性系I.S.相对于质点M静止,则:


ds 2c2dt 2 -(dx2+dy2+dz2


ds2=-ηαβdξαdξβ    中的     


η00=-1η11η22η331ηχβ0当α≠ β


从周期和波长的定义可得:


 TL / TI1U/ c2  υL/υI—=1U/ c2


 λL /λI  1U/ c2


βυ υLυI/υI =-U/ c2


 βλ≡-λLλI/λI =-U/ c2

[[xuebinguo: 这里还满足

υLλLIλI = C 吗?

好像我看你们的帖子,认为是满足的,可是如果代入验算一下,这是不可能成立的。是不是科普的写法还是不太严格,或者你们可以告诉我遗漏了什么,谢谢!]]

βυ 是减小频率的相对红移率;βλ 是增大波长的相对红移率。

总的相对红移率为ββυβλ=-2U / c2

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 [2楼]  作者:szshanshan  发表时间: 2004/12/20 15:19 

谢谢您认真看过我的贴子,陈老師书中是这样表述的.

谢谢您认真看过我的贴子,陈老師书中是这样表述的

参见 szshanshan 发的 58859
Schwarzschild 度规

   ds 2=〔1-(2GMc2r)〕c2dt2

               -〔1-(2GMc2r)〕-1 dr 2

              r 2dθ2  r 2sin2θdφ2                 

将它转变到笛卡尔坐标系并忽略掉Uc22项,U = GM r是牛顿引力势,r是离质奌M的距离,则实验室坐标系L.S.中的度规变成:

 ds 2=〔1-(2Uc2 )〕c2dt 2 -〔1+(2Uc2 )〕(dx2dy2dz2  

[[xuebinguo: 这里的 U (让我先记作 U',以示和前面的区别)难道不应该是 GM/r' r = r'* sqrt(1+GM/2r'c2),和前面的 U 是不同的。你只说要略去(Uc22项,不能连Uc2)项也给略去吧?以下应该都用 U' 表示]]

 

{{{Schwarzschild度规(31)式是一个质量为M的静止质点产

生的引力场的广义相对论的严格解,由于孤立静止质点产生的引力场的球对称性,直角坐标中也引起径向方向的度规变化,令dr 2=dx2dy2dz2),U=GM/r  (31)式变为:

ds2=(12U/c2c2dt2 -(12U/c2-1 dx2dy2dz2

   =(12U/c2c2dt2 -(12U/c2-(2U/c22+……)(dx2dy2dz2

   ≒(12U/c2c2dt2 -(12U/c2)(dx2dy2dz2

忽略的是“-(2U/c22+……”,但“并忽略掉U/c22项”的说法也没错,因为忽略的是指阰次来说,不必考虑被忽略项前面的系数,U/c22对太阳表面为10-12量级对地表为10-19量级,系数是1或乘4是同样忽略掉。}}}

 

ds 2=-gμυdχμdχυ   中的               

 g 00 =-12Uc2 g11g22g3312Uc2gμυ=0 μ≠υ。

让局部惯性系I.S.相对于质点M静止,则:

ds 2c2dt 2 -(dx2+dy2+dz2

ds2=-ηαβdξαdξβ    中的     

η00=-1η11η22η331ηχβ0当α≠ β

从周期和波长的定义可得:

 TL / TI1U/ c2  υL/υI—=1U/ c2

 λL /λI  1U/ c2

βυ υLυI/υI =-U/ c2

 βλ≡-λLλI/λI =-U/ c2

[[xuebinguo: 这里还满足

υLλL =υIλI = C 吗?

好像我看你们的帖子,认为是满足的,可是如果代入验算一下,这是不可能成立的。是不是科普的写法还是不太严格,或者你们可以告诉我遗漏了什么,谢谢!]]

 

{{{在引力场中频率减小的红移33)、(37和波长增大的红移(34)、(38是同时发生的,使得:

c LυL λL =〔〔1(U/ c2)υI1(U/ c2)〕〕λI

υI λI c I                               41                          

现在从式41可以明显地看出:虽然光进入引力场时,频率 υ和波长 λ都会发生变化,但两者之积 υλ 却是有引力场时跟无引力场时都是一样的,即是说,红移过程中光速恒定不变。注意,推导出式41忽略了二级小量U / c22 ,这是因为式33)、(37)、(34)、(38中也忽略了二级小量U / c22 Schwarzschild度规31式直接进行计算,可得到c L 是严格等于c I 的。有此结果是很自然的,因为广义相对论是以狭义相对论为基础的,由广义相对论推论的结果,若无计算错误就不可能违反光速保恒原理。

综上所述,途中引力红移不难由广义相对论度规直接推导出来。按照度规的本来含义,钟慢与尺缩是相对于Minkovski空间的钟与尺而言的,由度规效应导致的传播途中的引力红移,应该是实际光波频率与局部惯性系中的参照光波频率之差。即是说,红移是比较不同坐标系中光波频率的变分问题:

δυθ)=(υ L(θ)υ I dθ=υ I β υ(θ)dθ               

整个路径中产生的两光束频率之差为:

    υL-υI=∫-π/2π/2 δυθ)=υ I -π/2π/2 βυ(θ)dθ

=-υ I 2 GMc2 D

全路径频率减小的红移率为:

Θυ(υL-υI)υI =-2 G Mc2D                                            同样方式可得全路径波长增长的谱线红移率为:

 Θλ≡-(λ L-λ I )λ I  =-2GMc2 D

整个路径中总的途中引力红移率为:

ΘΘυΘλ=-4GMc2 D

注意,不能将变分 δ υ 与单一坐标系中的微分 d υ 混为一谈。υ=dυυR-υE 是个无观察意义的量,υ=0并不表明途中引力红移不存在。                                                                                                                                              

    包括因发射点引力势U2与接收点的引力势U1不同由爱因斯坦预言的红移率 βE 则总的引力红移率 βG是:

βG βEΘ=-(U2U1)/c2 4GMc2 }}}

 

βυ 是减小频率的相对红移率;βλ 是增大波长的相对红移率。

总的相对红移率为ββυβλ=-2U / c2

 

 

[楼主]  [3楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/20 21:22 

谢谢,不过你这样解释我反而更糊涂了

先不说后面积分的处理,

我们一般用的红移公式都是

设发射为(1),接收为 (2)

红移表述为 (ν1 - ν2)/ν2 , 或 (λ2 - λ1)/λ1,因光速不变,这两个式子恒等,也就是拿这两个式子的任何一个都可以计算红移。

但这里你给出的式子却变成了 (ν1 - ν2)/ν2 与 (λ2 - λ1)/λ2 等同

那岂不是 λ1 = λ2 了吗?那还有什么红移呢?

βν 和 βλ 的两个定义是有问题的。

 [4楼]  作者:szshanshan  发表时间: 2004/12/21 12:07 

现在公认的引力红移公式不是广相的严格解,是爱因斯坦在1911年根据牛顿引力定律得出的,1916年后他再用广相的忽略尺缩效应的牛顿

现在公认的引力红移公式不是广相的严格解,是爱因斯坦在1911年根据牛顿引力定律得出的,1916年后他再用广相的忽略尺缩效应的牛顿近似度规得到同一结果。爱因斯坦在引力红移问题上的这一失误引爆了宇宙,陈绍光老师的书名就是这样来的,若爱因斯坦在1916年广相问世时能用广相求解出正确的引力红移公式,则他就能预言到以后哈勃观测到的红移,也就没有荒唐的宇宙膨胀说和大爆炸宇宙论了。您先入为主地认定公认的引力红移公式是正确的,对广相严格解的引力红移公式肯定无法理解,这是普遍现象,要是不这样大爆炸宇宙论早在15年前就沒有信众了。

[楼主]  [5楼]  作者:xuebinguo  发表时间: 2004/12/21 20:59 

请注意,我的问题与爱因斯坦的解无关

经典的红移定量计算公式应该没有改动吧?

设发射为(1),接收为 (2)

红移表述为 (ν1 - ν2)/ν2 , 或 (λ2 - λ1)/λ1。因光速不变,这两个式子恒等,也就是拿这两个式子的任何一个都可以计算红移。

但这里你给出的式子却修改了红移的定义,分别成为了 (ν1 - ν2)/ν2 与 (λ2 - λ1)/λ2 。(分母用的是相同下标,与上述一般的定义不同。)

我这里没有涉及爱因斯坦的结论,也没有涉及是否两倍的问题,只是红移的基本定量计算公式问题。

βν 和 βλ 的两个定义与通常采用的公式是不一致的。

如果按照这个定义的话,是否所有的红移,都有频率和波长的改动,也能这么计算呢?比如多普勒红移,为什么不能这样加一下呢?

 

 [6楼]  作者:szshanshan  发表时间: 2004/12/22 15:49 

广相中引力场具有能量密度,路径中的引力场可以和光子交換能量,使得红移与路径有关

广相中引力场具有能量密度,路径中的引力场可以和光子交換能量,使得红移与路径有关

 

为什么要定义为:1 - ν2)/ν2 , 或 (λ2 - λ1)/λ1   ?这是基于比值ν12 , 或 λ21 的测量,以太阳(1)谱线红移为例,标准谱线是地球(2)的,比值ν12  或 λ21小于1,再減1的红移率为负值。但真正的谱线比较是测量差值(λ2 - λ1),具有精确值的是地球的λ2而不是太阳的λ1 ,当然用已知值λ2作分母比用待求的未知值λ1作分母更合理,真正的红移测量也是这样进行的。陈老師是按实验室中工作惯例来定义βν 和 βλ 的。差值(λ2 - λ1) 测量出了之后分母用λ2代替了λ1难道就会如您所说的:“岂不是 λ1 = λ2 了吗?那还有什么红移呢?” 吗?若是一个不太合理的定义稍微修改一下都不允许,我们照抄前人的就是了,还要做什么研究?

修改定义是小事您要改回去也可以,您可以核算一下分母用λ2代替了λ1仅差二阰小量,不会影响红移率的结果。但是经典的红移定量计算公式是基于牛顿引力的引力势能与路径无关,只取决于发射点与接收点的引力势,从而红移与路径无关。但广相中引力场具有能量密度,路径中的引力场可以和光子交換能量,使得红移与路径有关(路径中的引力场与光子交換动量产生光的偏折使偏折量比按牛顿引力定律算出的大一倍,红移也一样,路径中的引力场与光子交換能量产生光的红移使红移量比按牛顿引力定律算出的也大一倍),这才是本质问题。

更为主要的是谱线法测得的红移率不是光波的频率变化,也不是光波的波长变化,而是光子的能量差。这是由于经过了胶片的光化学过程或光敏器件的光电探头转換,谱线法真正测的是光子的能量hν。而光子的能量hν是对应于光波的能流密度W,W 既正比于单位时间波振动次数(正比于光波的频率)又正比于单位長度內波的个数(反比于光波的波长),因此谱线法测得的红移率是频率减小红移率βν和波长增大红移率βλ两者之和。βν由度规钟慢效应引起,βλ由度规尺缩效应引起,βν和βλ必須分别计算。

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