【极重篇 | 第一章：广义相对论的基本原理】05 引力红移

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严老师讲义 

哈勃定律告诉我们，宇宙是在加速膨胀的。哈勃给出这个结论的方法，是通过多普勒效应和光谱，算出了天体的距离和远离我们的速度。

一个正在远离我们的天体发出的光线，被我们接收到的频率要比它原本的频率低，这种现象叫多普勒红移。但是天体的光线经历的红移，并不是完全由宇宙膨胀造成的。

5.1 等效原理的设置

宇宙中有各种各样的天体，这些天体都会在周围形成引力场。当光线经过这些引力场的时候，也会经历红移或者蓝移。

如果从地面上垂直向上发射一束光给太空中的接收器，接收器接收到的光线的频率，要比从地面上发出时的频率低一些，这是为什么呢？

5.2 引力红移和引力蓝移

这里依然要用到等效原理。现在想象两艘宇宙飞船，一前一后，它们同时加速向前运动，中间保持一段距离。

前面的飞船尾部有一个光学接收器，然后让后面的飞船向前发出一束光，这束光会被前面飞船的接收器探测到。

由于这两艘飞船有一段距离，所以当后面那束光被前面的接收器接收到的时候，已经经过了一段时间。但是由于飞船有加速度，前面的飞船在这段时间里，已经增加了一定的速度。

此时，对于前面的飞船来说，这束光的光源不再是相对静止的了，而是有一定的速度。既然有速度，就会发生多普勒效应。因此前面的飞船接收到的光线的频率，要比光线发出时的频率更低。

上面已经证明了，在有加速度的情况下，光线会发生红移。那么根据等效原理，在地球上，或者说在任何一个引力场中，光线也一定会发生相应的红移效果。

所以从地球上向上发一束光线，太空里的接收器一定会接到一个经历了引力红移，频率变低的光。

反过来是一样的，如果从太空发一束光给地面上的接收器，地面上接收到的光线频率会更高，光线发生了蓝移。

分析过程也是一样，还是看两艘一起加速的宇宙飞船。只不过这次让前面的飞船向后发射光线，后面的飞船装了接收器。

在光线到达后面的飞船时，已经过了一段时间，这样后面的飞船就增加了一定的速度。在后面的飞船看来，光源是在向自己靠近。根据多普勒效应，它接收到的光线就经历了蓝移。

这一章，我们主要从理论层面去了解广义相对论。广义相对论最革命性的观念，是重新理解了引力。引力并不是一个真实的力，只是质量扭曲了时空，从而影响了物体的运动。

广义相对论和狭义相对论一样，只依据一条简洁、优美的原理，来进行逻辑的演绎，可以说是真正的理论物理学。

相对论让我们深刻的体会到思想之美，所以爱因斯坦不光是天才的物理学家，也是真正意义上的思想家。