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上一周我们讲到了两个经典检验——光线偏折和水星进动，今天我们继续这个话题。今天为大家介绍一种更好理解的现象，也是广义相对论又一个伟大的预言——引力红移。

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引力红移

光谱

什么是红移？我们先看一下可见光的光谱，如上图所示。我们看到，横坐标表示的是波长，而波长和频率是成反比的，也就是说，波长越大，频率越小，反之亦然。所以说，红移，就是光波或者其他电磁波，因为某种原因，波长变长，频率变小的一个过程。我们人眼可以看到的波长范围的光被称为可见光，一般来说，可见光指的是400～760nm波长的光，当然这个范围因人而异。

我们之前提到过，广义相对论认为，引力场中各处的时间流逝快慢是不一样的，引力场越强的地方，时空弯曲的就越厉害，时间流逝就越慢。这里大家要分清两个概念，我们平时说钟快了或者慢了，指的是时间的示数和标准时间的对比，例如现在是8点钟，而你的手机上面却是7点钟，显然你的钟慢了。但是，你的手机上走过一分钟所用的时间仍然和现实中一分钟一样，依然是秒针走一圈的时间。而这个问题上，我们所说的时间流逝快慢，指的则是走时率，就好比我们看视频的时候，把视频调成0.5倍速度或者2倍速度那样。这两个概念要区分开。

那么什么叫时间呢？这似乎是个难以回答的问题，奥古斯丁曾留下"时间是什么？如果无人问我则我知道，如果我欲对发问者说明则我不知道"这样的名言。不过，我们日常生活中，时间都是靠某种周期性运动来定义的，无论是年、月、日还是小时、分钟。从古至今的各种计时工具，从日晷到原子钟，也都是靠某种周期运动来制作的。

而如果想验证广义相对论关于时间的这一观点，该怎么做呢？最简单的方法莫过于在太阳附近放一块钟，然后地球上再放一块，再想办法相互对比。但是这显然是不现实的，太阳周围温度过高，实在难以做这样的实验。因此这时候我们需要求助于其他的一些东西，这时候，引力红移的概念就大有可为了。

引力红移示意图

所谓的引力红移，就是指光的波长在引力的作用下被“拉长”的现象。

我们虽然不能直接观测钟，但是我们可以通过观测太阳表面的原子，和地球上的原子相互对比。在这里，我们需要观测的是原子发射光子的频率，显然，这里指的是固有频率。顾名思义，同一种原子，发射同样的光子的时候，其频率应当是一模一样的。而太阳附近的原子，由于上述效应，显然它发射原子的频率要小，这也就是所谓的红移。

当然，我们上文也提到了，不止有一种红移。多普勒红移也是大家耳熟能详的概念，它是由相对运动引起的。我们知道，地球也在公转，太阳和地球自身也在做自转，而且其表面发光原子的热运动很不稳定，会有径向的气流喷涌，这样会有一系列需要修正的地方。如果不修正的话，多普勒效应会比引力红移的影响大得多。好在科学家们很聪明地尽可能减小了这些误差。

目前，除了太阳之外，科学家们在天狼星的伴星等恒星上也发现了引力红移的现象，与广义相对论预言十分接近。而不能正确预言引力红移的引力理论已经被筛选掉了。

话说回来，都有哪些红移呢？我们不妨看下图。第一种是相对运动引起的多普勒红移，第二种是宇宙加速膨胀引起的宇宙学红移，第三种则是我们今天主要谈论的引力红移。

天文学上的三种红移

除了上文提到的实验之外，穆斯堡尔效应也是一个著名的和引力红移有关的实验。这个实验是1958年，物理学家穆斯堡尔完成的，利用的是原子核、光子等高能粒子的碰撞，这里涉及较多原子物理的知识，我们不再详细介绍。这个实验相当于验证了狭义相对论的洛伦兹公式与质能方程，并为后续引力红移实验提供了基础。穆斯堡尔也因此荣膺1961年的诺贝尔物理学奖。

未完待续

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作者：王纪尧

配图：王纪尧

排版：王纪尧

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