怎样理解引力红移,引力红移与加速度、空间弯曲的关系

tuenhai.com 20180223

tuenhai.com :在相对论效应的世界里,看到的不一定是对方的真实,静止者看到运动的钟走时变慢,并不表示运动的钟真的走慢了,这个结论我反复强调过多次,不一定每个人都能很好地理解,因为这违反了人们的日常经验。人类是低速生物,信奉眼见为实,现在眼见不为实了,这可称为维度隔离。低速世界是低维世界,高速世界是高维世界,低维生物去看高维世界,看到的现象可能只是自己状态的反映,而不是对方的真实。引力红移已经得到验证,通过引力红移可以形象理解维度隔离

什么是广义相对论引力红移/重力红移

重力红移或称重力红位移指的是光波或者其他波动从重力场源远离时,整体频谱会往红色端方向偏移,亦即发生“频率变低,波长增长”的现象

大质量星球射出的光会发生红移

上图,质量庞大的星球上所发出的光远离星球时,会发生红位移——从蓝色偏到红色(图片来自wikipedia)

换一种表达方式,射入引力势阱中的光会发生蓝移,而相反从势阱中射出的光会发生红移;这两种现象被笼统地称作引力红移

不正确的等效原理推论

下面两段话引自wikipedia 《广义相对论入门》 之《等效原理的推论》

Wikipedia 等效原理

1907年,离爱因斯坦完成广义相对论之前尚有8年,但他已经能够根据他的新理论的初始论述——等效原理,作出大量可以验证的预言

第一种新现像是光波的引力红移。设想在一艘呈加速运动的宇宙飞船上的两个观察者。在这艘飞船里,必定有一种自然区分“上”和“下”的方法:设定飞船加速度的方向是“上”,与之相反的物体掉落的方向是“下”。假定其中一个观察者处在另一个观察者的上方。当下方的观察者向上方的观察者发送了一段光波信号,加速度会使光波红移,上方的观察者将收到一段频率偏低的光波信号。相反地​​,当上方的观察者向下方的观察者发送了一段光信号,加速度会使光波蓝移,下方的观察者将收到一段频率偏高的光波信号。并且在已知发出频率和接收频率的情况下,可以通过狭义相对论计算出加速度。根据等效原理,爱因斯坦认为这样的红移现像一定也可以在引力场中观察到。如图所示光波在远离引力场时的红移,假设引力场的方向为竖直向下,则下方的观察者收到的来自上方的光波信号频率偏高,上方的观察者收到的来自下方的光波信号频率偏低

大质量星球射出的光会发生红移

上图,光波远离黄色恒星向外传播时,远方的观察者会看到红移现象

tuenhai.com 必须指出,上面引用的第二段里面,关于加速运动的宇宙飞船上发生的事情的描述是错误的,错在把上、下的方向搞反了

星球周围空间的自由落体运动,越是靠近星球,物体的下落速度越大。对应于加速运动的宇宙飞船,相当于飞船头朝着星球飞。展开来说,飞船头部对应于靠近星球方向,飞船尾部对应于远离星球方向,引文的错误在于把飞船头部对应到了远离星球方向,飞船尾部对应到了靠近星球方向。而且用上、下来区分加速度的方向也不妥,太空中实际上是无上、无下,直接用实际位置,比如飞船头部和飞船尾部来表示位置更好

tuenhai.com 修正后的表述如下:

第一种新现像是光波的引力红移。设想在一艘呈加速运动的宇宙飞船上有两个观察者,一个在飞船头部,另一个观察者在飞船尾部。当尾部观察者向前部观察者发送了一段光波信号,加速度会使光波 蓝移,头部的观察者将收到一段频率 偏高 的光波信号。相反地​​,当头部的观察者向尾部观察者发送了一段光信号,加速度会使光波 红移,尾部的观察者将收到一段频率 偏低 的光波信号。并且在已知发出频率和接收频率的情况下,可以通过狭义相对论计算出加速度。根据等效原理,爱因斯坦认为这样的红移现像一定也可以在引力场中观察到。如图所示光波在远离大质量恒星时发生红移,远恒星观察者相当于飞船尾部观察者,近恒星观察者相当于飞船头部观察者,则近恒星观察者看到的光波信号频率偏高,远恒星观察者看到的光波信号频率偏低

为什么被无数人参阅的 wikipedia 都会存在如此的低级错误,原因在于在于人类是低维生物,空间是死板的空间,不愿作出改变,这是低维生物的特征。我说死板的空间,没有说成死板的思维,并不是 tuenhai.com 疏忽了,生命的一切思维、行动都和空间相关,你想一下,你能不能找出一个念头是和空间无关的吗?我打赌你肯定找不出来

人类站在星球上,觉得自己是下方,天空是上方。飞船升空,人类觉得飞船头部指向天,是上方,飞船尾部指着地,是下方。这是人类的经验,依靠这个经验来理解引力红移就会发生错误。正确的理解方法是飞船在遥远的地方向着星球飞来,这时你在星球上从引力的角度理解,或者在飞船上从加速度的角度理解,二种情况才是一致的

引力红移模拟实验:从加速度理解引力红移

tuenhai.com :如前所述,wikipedia上的等效原理加速度推论是错误的,把红移和蓝移弄反了,即使修正了错误,也没有说明红移、蓝移具体是如何发生的,相当于什么也没有说。我搜寻了不少资料,没有找到合理的解释,那就让 tuenhai.com 来解释一下吧

光是螺旋前进的,光螺旋的尺度太小,人类不能直接看见,只能通过实验间接知道光是波,光波具体长什么样还是个谜

现在我们来构建引力红移的模拟实验,这个实验十分简单,我建议你亲自动手实践一下

请你找一段能伸缩的弹簧,你手持弹簧的一头,找一个小孩手持另一头,稍微把弹簧拉伸开一点。你扮演的是大质量恒星,小孩扮演的是微小的星球,弹簧是光波,现在弹簧是静止不动的,你想象成弹簧是流动的光组成,流动的速度是光速。现在是没有发生引力红移的情景

人类看不见引力,怎么理解引力红移?爱因斯坦替我们找到了解决办法,可以当作引力不存在,然后从加速度去理解。从加速度理解引力并不需要宇宙飞船的介入。你是大恒星,你的质量极大,物体越是靠近你,物体自由落体的速度越大。弹簧越越靠近你,弹簧向你坠落的速度越大,这意味着弹簧越是靠近你,弹簧收缩得越紧,而在小孩这头弹簧会松一些。紧的弹簧代表频率高,松的弹簧代表频率低,高频光波在蓝端,低端光波在红端,于是你看到的光波会偏蓝,小孩看到的光会偏红

理解这个模拟例子需要你对光波的频率有所了解,理解了光波的频率,那么你应该已经理解了引力红移和引力蓝移。同一束光,大质量星球上的人看到的光频率会高些,也就是偏蓝,远离大质量星球的人看到的光频率会低些,也就是偏红

这里还包括了维度隔离,假设弹簧有千万公里长,你这端看到的弹簧比较紧,你会以为全部弹簧都是这样。小孩这端看到弹簧比较松,会以为整条弹簧都是比较松

大质量恒星上的人看到光偏蓝,会以为自己看到了一个偏蓝的星球;远离恒星的人看到光偏红,会以为自己看到了偏红的星球。大家看到的是同一束光、同一个星球,结果不同,说明大家看到的都是自己空间状态的反映

引力红移证明了什么,空间弯曲造成引力红移

tuenhai.com :从加速度的角度理解引和红移是比较简单的,不过带来了一个新的问题,加速度从何而来?这就需要空间弯曲的概念了,加速度的原因在于物体周围的空间是弯曲的

你手持弹簧的一头,小孩手持弹簧的另一头,两人都用一点力拉开弹簧,这时的弹簧是被均匀拉伸开的,这种情景就代表了没有空间弯曲时的情景

空间弯曲以后的情景只能靠想象,设想你把整段弹簧纵向分成10等分的空间,从你这边开始给每个空间编号:1,2,3……10,序号越小,空间收缩越大,于是越是靠近你这边的弹簧看上去越密,越是靠近对方的弹簧看上去越松。这表示同一束光,你这边频率偏高,你看到偏蓝,对方这边频率偏低,他看上去会偏红。同一束光,两个不同的观察者对光的颜色产生了分歧,观察者的空间状态决定了他看到什么

你可能已经直观地理解了为什么说 *静止者钟时变慢 不能说成 你(运动者)钟时变慢了,静止者看到运动的钟走时慢了,反映的是静止者自己的空间状态,而不是钟本身的空间状态

小质量星球上的人观测天空时看到了红光,于是说:

大家快来看,那颗星是红色的

这样说的人肯定不知道相对论。你看到了红色,不代表那颗星就是红色的

看到了太多的绝对论的说法,用绝对论去解释相对论,那么 全世界理解相对论的人不超过10个 也就没有夸张的成分了

现在把模拟实验替换成真实的场景,你是一颗巨大质量的恒星,你发出的光穿透了遥远的空间,被极远的小孩看到了,小孩看到恒星的颜色偏红,你自己观察自己,你看到的颜色会比小孩看到的颜色要蓝一些,同样的星球怎么会有两种颜色?如果你们都绝对相信自己所见,那么你们可能会大打出手。小孩相当于静止者,你相当于运动者,静止者只能看到反映自己空间状态的数据,我们只能说静止者看到运动的钟变慢,静止者看到大质量星球偏红,而不能说成运动的钟变慢了,大质量星球的颜色偏红了

空间弯曲使我们对宇宙有了更加深刻的理解,但是新的问题又至?空间为什么会弯曲?这就涉及到了宇宙、生命的本质

引力红移与静止者钟时变慢,引力蓝移与运动者钟时变快

假设大质量恒星上站着大明,小质量星球上站着小王,她们都看着大质量恒星,那么必然的结果是,小王看到恒星偏红,大明看到恒星偏蓝

  • 大质量恒星:大明的家
  • 小星球:小王的家
  • 大明:我的家是个蓝色的星球
  • 小王:我看到大明住在红色的星球上

她们看到的结果不同,是因为大恒星空间弯曲厉害,空间弯曲可以理解为加速度,于是以低速者为参考系,大明相当于运动者,小王相当于静止者,可得到如下相对论效应判断:

  • 大质量恒星 (大明)
    • 钟时变快(收缩)
    • 命时变慢(膨胀)(长寿)
    • 加速度方向长度收缩
  • 小星球(小王)

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