1960年，科学家利用穆斯堡尔效应，验证了相对论引力红移现象

　　在中学物理中，我们都学过多普勒效应，比如呼啸而过的小汽车，如果小车开着喇叭，我们会听到喇叭声由低到尖再到低，而多普勒效应的本质原因是波源与观测者之间的相对运动。
　　多普勒效应
　　除了机械波，其实光（电磁波）也存在这种多普勒效应，如果光源与观测者相互靠近，那么光谱就表现出蓝移，反之就是红移（这种蓝移红移本质原因都是相对运动，因此一般都称呼为红移）。那么我们不经要问，是否所有的光谱红移都是因为相对运动而导致的呢？
　　在上篇文章物体下落时速度会增加，那么引力能使光加速吗？中我们提到，如果一束光从地球表面发出，在远离地球的同时，它自身的速度（实地测量）不会发生变化，这一点从牛顿力学来看是不可思议的，难道光子在逃离引力场时，动能不会发生变化吗？
　　首先光子没有牛顿力学式的动能，只有E=hv，这是量子力学里的公式，可以代表一个光子的能量，由于光子不存在静止质量，所以你也可以认为光子的全部能量就是它的动能。而光子能量的变化全都体现在频率的变化（或者波长的变化）。
　　这里我们需要注意，即便是光子能量发生了变化，但是它的速度却一直是个常量（但这个速度必须是指实地测量），这一点是相对论的体现。同样的，所谓红移，不过是光子能量，即频率或波长的变化。
　　我们可以假设这样一个场景，一处光源静止于地球表面，在光源的垂直上方设有一个静止的超灵敏接收器，可以测出光子能量的变化，那么光子能量到底会不会变化呢？
　　这样的实验其实科学家早在上世纪60年代就已经完成，利用的是穆斯堡尔效应，再介绍这个实验之前，我们先来简单的了解一下穆斯堡尔效应到底是怎么回事。
　　鲁道夫·穆斯堡尔
　　1957年，德国物理学家穆斯堡尔观测到了某些原子核在衰变过程中释放的特定伽马射线被同类原子核吸收，这就是原子核的共振吸收。最关键一点，如果发射出的伽马射线因为一些原因，导致其频率发生了变化，那么就会导致共振吸收的程度下降。
　　理论上我们可以利用这一点去完成之前的光子能量变化实验，于是在1960年，由科学家潘德和里布卡进行这次实验，他们将含有特定原子核的两块晶体放于不同高度，一个发射一个吸收，最后发现吸收程度没有达到最高值，说明光子能量确实发生了变化，而为了进一步得到数值上的结果，他们利用光的多普勒频移，使两块晶体做相对运动，以抵消引力对光子能量的影响，使吸收达到最高值，再利用测得的移动速率，便可定量的给出光子红移的具体数值结果。
　　由此说明，即便光源与观测者不存在相对运动，也能产生红移现象。
　　那么这种红移现象背后的原理到底是怎么回事呢？
　　这种红移现在可以明确的告诉大家，原因是因为引力场的缘故。
　　第一种解释：而在很多科普文章中，给出的解释是利用狭义相对论、万有引力定律以及等效原理。具体来说是这么一回事：
　　光子在远离引力源时，势必要消耗能量（能量减少就表现为红移），而消耗的能量可以利用万有引力定律算出，其中要用到引力质量与惯性质量相等的等效原理，再结合狭义相对论的质能方程，最后能在理论上给出计算引力红移的具体公式。
　　虽然公式计算出的结果和科学家们做的实验结果符合的很好，但我们要知道狭义相对论、万有引力定律以及等效原理，这三者并不全是同一框架里的理论，如此结合在一起，多少有些显得奇怪。
　　第二种解释：说到这估计大家就想到了，能涉及这三者的理论不就是广义相对论吗？那么广义相对论对引力红移又是如何解释的呢？
　　首先我们需要知道在广义相对论中，钟慢效应仍旧存在（毕竟是狭义相对论的推广），但这里的钟慢就不全是因为相对运动才导致的了，因为广义相对论是一个描述引力的理论，而引力则被解释为时空弯曲，因此就有一个被称为引力钟慢的效应。
　　有了这一点，解释引力红移就顺理成章了，如果有朋友已经知道狭义相对论是如何在光的多普勒效应中起的作用，那么我就可以不用解释了，因为引力红移的产生于此类似，都是因为光源与观测者两者之间的时间流逝不一致所致。
　　就以上文我们假设的那个实验为例，由于引力钟慢效应，处于高处的接收器，其时间流速要比位于地表的光源快，而时间流逝上的差异就会导致周期出现差异，而周期一旦不一致，频率、波长都会跟着改变，这不就是意味着光子能量出现变化了吗？这就是引力红移产生的原因。
　　至于之前说的第一种解释为什么也能符合实验结果，那是因为第一种解释得来的公式与广义相对论给出的公式只是一级近似下相同，如果再提高精确度，二者是不相同的，但从科普的角度，第一种解释推广难度较低。
　　本篇文章的内容到此结束。
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