Гравитационное красное смещение — это явление, при котором свет (или любое электромагнитное излучение) теряет энергию, выбираясь из гравитационной ямы, и смещается в красную область спектра. И наоборот, свет, падающий в гравитационную яму, приобретает энергию и смещается в синюю сторону. Это прямое следствие общей теории относительности Эйнштейна: гравитация влияет на течение времени, а частота фотона связана с тиканьем часов в месте его нахождения. Эффект ничтожно мал на поверхности Земли, но становится значительным вблизи компактных объектов, таких как нейтронные звезды или черные дыры, и является ключевым предсказанием, отличающим общую теорию относительности от ньютоновской гравитации.
История
Концепция была впервые предсказана Альбертом Эйнштейном в 1907 году и уточнена в его общей теории относительности 1915 года. Первое наземное измерение было выполнено Робертом Паундом и Гленом Ребкой в 1959 году с использованием гамма-лучей на 22,5-метровой башне Гарвардского университета.
Как это работает
В общей теории относительности часы, находящиеся глубже в гравитационном потенциале, идут медленнее, чем часы выше. Фотон, испущенный нижними часами, имеет частоту, задаваемую этим более медленным тиканьем; когда он достигает наблюдателя выше, его сравнивают с их более быстрыми часами, поэтому он кажется имеющим более низкую частоту — отсюда красное смещение. Потеря энергии — это не эффект трения, а следствие геометрии пространства-времени: путь фотона через искривленное пространство-время сохраняет энергию способом, зависящим от разности гравитационных потенциалов между излучением и приемом.
Где применяется
Гравитационное красное смещение регулярно учитывается в спутниках Глобальной системы позиционирования (GPS), где часы на орбите идут быстрее, чем на земле, примерно на 38 микросекунд в день; для поддержания точности позиционирования вносятся поправки.
Любопытный факт
Эффект измерен настолько точно, что атомные часы на поверхности Земли идут с разной скоростью при разнице высоты всего в один метр.
Оркестр без дирижёра может звучать слаженно, если музыканты чувствуют общий ритм. В мире твёрдых тел роль такого ритма играют фононы: кванты колебаний кристаллической решётки. Когда атомы в подложке начинают двигаться по кругу, они способны передать своё вращение магнитному слою, лежащему сверху, и перевернуть его намагниченность.
Свет, покидающий массивное тело, теряет энергию: его частота слегка уменьшается, а цвет смещается к красному концу спектра. Это явление физики называют гравитационным красным смещением. В рамках классической физики всё прозрачно, но на квантовом уровне возникают тонкости.
Свет, покидая окрестности массивного тела, теряет энергию: его волны растягиваются, а цвет смещается в красную сторону. Это гравитационное красное смещение — эффект, предсказанный ещё в работах Эйнштейна.
В 1956 году два радиотелескопа в Джодрелл-Бэнк уставились на Сириус, ловя не изображение, а дрожание интенсивности. Эксперимент Ханбери Брауна и Твисса (HBT) открыл удивительную вещь: корреляции приходящих фотонов способны рассказать о статистике источника — хаотичен ли он, как тепловая лампа, или когерентен, как лазер.
Гигантский оркестр, где каждый музыкант — частица, рождённая в пламени Большого взрыва. Когда дирижёрская палочка времени даёт отмашку, эти частицы начинают распадаться, превращаясь в более лёгкие. Каждый такой распад сопровождается тихим аккордом — испусканием гравитонов, крошечных квантов гравитации. Так машина, резко тормозя, издаёт скрип: энергия движения переходит в звук.
Камень падает в колодец, и всплеск доходит до ушей с задержкой. Что-то похожее происходит со светом, когда он улетает от Земли: его колебания становятся реже, луч словно «устаёт». Это гравитационное красное смещение — явление, о котором сто лет назад говорил Эйнштейн. Массивная планета замедляет само время, и свет это чувствует.
Пруд, по которому бегут круги от упавшего камня. Так и в масштабах Вселенной: внезапный выброс энергии в тёмном секторе — невидимой субстанции, которая не излучает свет, — порождает рябь в ткани пространства. Эта рябь меняет путь частиц света, летящих к нам от самого рождения космоса.
Авторы новой работы построили математический аппарат, чтобы описать эти искажения.
Часы — это не просто механизм со стрелками. В основе каждого атомного ядра лежит природный метроном: оно колеблется с почти идеальной равномерностью. Если поднять один такой ядерный метроном на пару метров, его ритм чуть ускорится из-за искривления времени — эффекта, предсказанного Эйнштейном в общей теории относительности.
Время не абсолютно: вблизи массивных тел оно течёт медленнее. Этот эффект гравитационного замедления времени — прямое следствие общей теории относительности Эйнштейна.
Телескоп Джеймса Уэбба разглядел в ранней Вселенной россыпь компактных объектов, которые прозвали «маленькими красными точками». Они слишком красные и слишком тусклые для обычных квазаров, и астрофизики ломают голову, что их питает.
