正和应发挥数学专长,找出陈老師从广义相对论得出途中引力红移公式的推导错误,才能否定陈氏理论。现帖出数学推导供您批评。 正和应发挥数学专长,找出陈老師从广义相对论得出途中引力红移公式的推导错误,才能否定陈氏理论。现帖出数学推导供您批评。
4. 3 广义相对论导出途中引力红移
我们不可能将现在接收到的光直接地与它过去发出时的状态相比较。为得到红移观察值,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。正如4.1中指出过的,单一坐标系中不可能观测到偏折、时延和红移等引力效应。观测引力红移正是比较有引力的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 υ L与局部惯性坐标系中(I.S.)频率 υ I的差值。根据广义相对论计算引力红移,也应比较有引力的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. (22)
ds2=-ηαβdξαdξβ 对I.S (23)
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。
根据周期T的定义,它是相继波峰到达空间确定点的时间间隔(T≡△t p-p ),在任意一个确定的点有:dχ1=dχ2=dχ3=0,
dξ1=dξ2=dξ3=0,时-空中四维间隔平方(22)和(23)式变成:
ds 2=-g00( dχ0)2=-η00( dξ0)2
dχ0/ dξ0=c(d t)L∕c(d t)I =(-η00 / - g 00)1/2
TL∕TI≡∫(d t)L /∫(d t)I =(-η00 / - g 00)1/2
υL ∕υI =( -g00 ∕ -η00 )1/2 (24)
根据波长 λ 的定义,它是在一个坐标系中某时刻测得的相邻波峰的空间距离,λ≡(△r)pp ,对任一某时刻有:dχ0≡c d t =0, dξ0≡c d t =0,时-空中四维间隔平方ds2的表示式(22)和(23)变成三维空间间隔平方d s 32 ,令i , j=1,2,3,有:
ds 2=-gi jdχidχj=d s32 , ds2=-ηi j dξi dξj=d s32
当L.S.中的引力场是稳定的,g i 0=g j 0= 0,这时指定两点间的空间距离d r 是恒定不变的,直接用尺(gi j)测量就行,使得稳定引力场中的空间距离d r就等于三维空间间隔d s3 :
d r=d s3=(-g i j dχi dχj)1/2 对L.S. (25)
无引力的I.S中恒有ηi 0=ηj 0= 0,其空间微分距离dl恒等于三维空间间隔d s3,有:
dl=d s3=(-ηi j dξi dξj)1/2 对I.S (26)
由式(25)和式(26)可求出:稳定引力场中波长 λL=△r=∫dr跟无引力时的波长λI=△l=∫dl之比为
λL∕λI=(-g i j dχi dχj)1/2∕(-ηi j dξi dξj)1/2 (27)
当L.S.中的引力场不稳定,则两点间的空间距离d r是变化的,测量d r除了要用尺(gi j)之外还要用到由光信号定义的同时性,因此还需要用到钟(g00)。定义同时性的光波满足ds2=0,从(22)式分离出时间分量dχ0≡cdt,由g0j dχj =g0i dχi和度规的对称性gi 0= g0i ,可得光的传播方程为:
-ds2=g0 0(dχ0)2+(gi 0dχi +g0j dχj)dχ0+gi jdχidχj
=g0 0( dχ0)2+2(gi 0dχi )dχ0+gi jdχidχj=0 ,
所以
dχ0=g0 0-1{-gi 0dχi ±[(gi 0 dχi)2-gi jg0 0dχidχj]1/2}
由(gi 0 dχi)2=(gi 0 dχi)(gj 0 dχj)=gi 0 gj 0 dχi dχj ,可得:
dχ0=g0 0-1{-gi 0dχi ±[(gi 0gj 0-gi jg0 0)dχidχj]1/2 (28)
同时性的条件下dχ0=0,使光的传播方程(28)式变成:
±g0 0- ½gi 0dχi= [-(gi j-gi 0gj 0∕ g0 0)dχi dχj]1/2 (29)
由此可见:同一时刻(dχ0=0)两奌间的距离d r不仅与gi j有关,还直接与g0 0,gi 0,gj 0有关,因此,L.S.中的引力场不稳定的一般情怳下 , 由光信号定义的同时性决定的空间微分距离d r为:
d r=[-(gi j-gi 0gj 0∕ g0 0)dχi dχj]1/2, (30)
对于一个质量为M的静止质点产生的引力场,有广义相对
论惟一的严格解Schwarzschild度规:
ds 2=(1-2GM/c2r)c2dt2 -(1-2GM/c2r)-1 dr 2
-r 2dθ2 ― r 2sin2θdφ2 (31)
将它转变到笛卡尔坐标系并忽略掉(U/c2)2项,这里U=GM/r是牛顿引力势,r是离质奌M的距离,则L.S.中的度规变成:
ds2=(1-2U/c2)c2dt 2 -(1+2U/c2)(dx2+dy2+dz2) (32)
或在式(22)中:g 00 =-(1-2U/c2), g11= g22=g33=(1+2U/c2),gμυ=0 当 μ≠υ。
让I.S.相对于质点M静止,则:
ds 2=c2dt 2 -(dx2+dy2+dz2)
或在式(23)中:η00=-1,η11=η22=η33=1,ηχβ=0
当α≠ β 。
再根据式(24)和式(27)有 :
TL /TI=1+U/c2,υL /υI=1-U/c2,λL /λI=1+U/c2
或
βυ≡(υL-υI)/υI =-U∕c2 (33)
βλ≡-(λL-λI)/λI =-U∕c2 (34)
βυ 是减小频率的相对红移率;βλ 是增大波长的相对红移率。
因为 υI是不变的,由(33)式 υL将随离质点M的距离r而变化。从M作一条到光束s的垂线,长度为D,令θ是垂线D与M到光子的连线r之间的夹角,则r cosθ=D (见图4) ,故有U(r)= GM/r = GM cosθ/ D =U(θ),又由式(33)有:
υ L(θ)-υ I(θ)=-υ I(θ)U(θ)/ c2
从θ到θ+dθ之间的引力势U(θ)对引力红移的贡献δυ为:δυ=[υL(θ)-υI(θ)]dθ
=-U(θ)υI(θ)dθ∕c2
=-GMυI(θ)cosθdθ/ c2D
注意,在这里不是比较同一坐标系中的υL(θ)与υL(θ+dθ),因为经由这样的比较不能给出可供观察的值。我们比较的是L.S.中的 υ L与I.S.中的 υ I ,因为只有 υ L与 υ I的差值能够被直接地测量。这正如在Hafele等【2】的实验中比较的是铯原子钟在飞机上的周期T飞 与在地面上的周期T地 之差,而不是比较飞行铯原子钟在前后瞬时的周期T飞(t1)与T飞(t1+dt)之差。
从点2(r =-∞,θ=-π/2)到点1(r =∞,θ=+π/2)的全部路径中的引力红移是:
△υ=∫-∞∞ δυ=∫-π/2π/2[υ L(θ)-υ I(θ)]dθ
=[υ L(π/2)-υ I(π/2)]
-[υ L(-π/2)-υ I(-π/2)]
=[υ L(1)-υ I(1)]-[υ L(2)-υ I(2)]
=[υ L(1)-υ I(1)]-[υ L(2)-υ I(1)]
=∫-π/2π/2 – U (θ)υ I(θ)dθ/ c2
=∫-π/2π/2 – GMυ I(θ)cosθdθ/ c2D
=-υI(π/2)2GM/ c2D =-υI 2GM/ c2D (35)
因为I.S.中频率不变υ I(θ)=υ I = υ I(-π/2)=υ I(π/2)= υ I(1)=υ I(2)。
式(35)中的[υ L(2)-υ I(1)]正是爱因斯坦预言的频率差,是由于发射奌2与接收奌1的引力势U2与U1的不同而影响原子跃迁所导致的,用 βE 表示爱因斯坦预言的红移率有:
βE ≡[υ L(2)-υ I(1)]∕υ I(2)
=-(U2-U1)/c2 (36)
若在点1接收到的光是在零引力势的点2的静止原子发射的,则U(-π/2)=U2=U1=0 ,υ L(-π/2)-υ I(-π/2)=υ L(2)-υ I(2)=0,由(35)式有:
Θυ ≡〔υ L(1)-υ I(1) 〕∕υ I(1)
=∫-π/2π/2-U(θ)dθ/ c2=-2GM∕c2D (37)
Θυ是全路径的引力势产生的总的频率减小的红移率。这个途中引力红移是由于:①光波是电磁场实实在在的振动的传播,当光离开点2(E=E0,场振荡频率f 0)进入到引力场U(θ)中,光的频率会随着度规的变化而减小△f,这个变化立即被电磁场自身振荡频率的变化“记录”下来。②在从点2(θ=-π/2)到点1(θ=π/2)的全部路径中,υ L(θ)处处都小于 υ I(θ),从而对观察值(υ L-υ I)的贡献处处为负值,使得总的途中红移率不可能为零。换句话说,相对在无引力场的途中传播而言,在有引力的途中光子的能量处处都减小,使得观察到的总的能量差不等于零。
根据 υ L(1) /υ L(2)=(g00(1)/g00(2)) 1/2 ,由所设的条件U2 =U1=0可得 υ L(1)=υ L(2)。这看起来与途中引力红移(37)式相“矛盾”。其原因是在同一坐标系(L.S.)中不同地点1与2的频率 υ L(1)与 υ L(2)是不能够用实验方法进行比较的。3.1节中指出过:一个坐标系中描述的红移、偏折和时延等引力效应是不可观测的,从而也是没有物理意义的。正如同为了比较时-空中不同地点的同时性我们必须假定光速保恒一样,为了比较时-空中不同地点的频率,我们必须假定光波(或别的频率计)的频率在引力场中从一处迁移到另一处是不变化的,即必须假定有一个不受引力场影响的钟。若是钟的速率在迁移中会变化(引力场中的确如此),则时-空中不同地点相等的物理量 υ L(1)=υ L(2), 将有不相等的实验观察值 υ L(1)≠υ L(2),这正好符合于 υ L(1)≠υ I(1), 所以“矛盾”消除了。
类似地,由式(34)可得当光从质量M附近通过时全路径总的波长变化率为:
Θλ≡-〔λ L (1)-λ I (1)〕∕λ I(1)
=∫-π/2π/2 -U (θ)dθ/ c2=-2GM∕c2D (38)
全路径总的红移率为频率减小的红移率Θυ与波长增大的红移率Θλ之和:
Θ=Θυ + Θλ =∫-π/2π/2-2U (θ )dθ/ c2
=-4GM∕c2D (39)
由(37)、(38)、(39)式与(18)、(19)、(20)式比较可以看出,由广义相对论导出的途中引力红移与由量子场论导出的完全一致。
一般情况下,除途中引力红移率Θ之外,还包括因发射点2与接收点1的引力势U2与U1不同而由爱因斯坦预言的红移率 βE ,总的引力红移率 βG是:
βG =βE+Θ
=-(U2-U1)/c2+∫-π/2π/2-2U (θ)dθ/ c2
=-(U2-U1)/c2 - 4GM∕c2D (40)
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 L=υL λL =〔〔1-(U/ c2)〕υI〔1+(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 / c2)2 ,这是因为式(33)、(37)、(34)、(38)中也忽略了二级小量(U / c2)2 ,由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:
δυ(θ)=(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 δυ(θ)=υ I ∫-π/2π/2 βυ(θ)dθ
=-υ I 2 GM∕c2 D
全路径频率减小的红移率为:
Θυ≡(υL-υI)∕υI =-2 G M∕c2D  ̄ 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 =-2GM∕c2 D
整个路径中总的途中引力红移率为:
Θ=Θυ+Θλ=-4GM∕c2 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=∫dυ=υR-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 =βE+Θ=-(U2-U1)/c2 - 4GM∕c2D
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