股票配资的合法性 能量场假说系列六：引力红移与黑洞（1）

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能量场假说系列

1926年，哈勃（Edwin Hubble）发现遥远天体的光谱存在普遍的红移现象，由多普勒效应(Doppler effect)推测这些天体都在远离地球，据此提出了红移定律。这一发现为宇宙膨胀论提供了支持。

爱因斯坦(Albert Einstein)则在1916年发表的广义相对论（GR）中，根据引力引发时空曲率变化的机制预言了这种红移效应，被称为“引力红移”。

能量场假说认为宇宙总体上是稳定、平衡的，并未发生系统性膨胀或收缩，远处的天体不会更快地远离地球，哈勃发现的红移并非多普勒效应引起。同时认为，弥补经典宇宙理论的不足，并不需要在时空上进行几何曲率变换。宇宙在时空上是平直的，但能量分布并不均匀，这种不均匀导致了引力红移。

由能量场原理分析引力红移

与广义相对论类似，能量场假说也认为引力场会改变电磁波的周期。不同之处在于，能量场原理认为电磁波在引力场中的速度也会变化[1]。这些变化并不需要假设时间膨胀或收缩。

能量场假说提出，电磁波（光）在真空中依赖能量场介质振动传播，其速度和周期与能量场强度成正比。在引力场中，能量场强减小，电磁波速度和周期同比例减小；当电磁波逆引力场（远离引力体）运行时，速度和周期同步变大，产生“红移”；反之则产生“蓝移”。如下图所示。

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图(1) 光远离引力场运行时产生红移

在前文中已得到能量场真空基态的引力场公式[2]：

由式(1)得到引力势：

令真空基态中光速为c_0，引力体表面光速为c，有：

令光逃离（或趋近）引力场时速度改变量为∆c，即c_0=c+∆c，代入上式可得引力势与光速的关系：

设引力红移量为Z_y，根据红移定义，联立式(2)、式(4)得方程组：

式中[G]_0为真空基态引力项；M、r分别为引力体质量、半径；c_0为真空基态光速。

引力红移的几例计算

本节利用式(5)分别估算从地球、木星、太阳表面发出光线传播至无限远过程中的速度增量和引力红移量。

地球

真空基态引力项取值[G]_0=6.669×10^(-11) s^2[3]；真空光速c_0=2.998×10^8 ms^(-1)；地球质量M=5.973×10^24 kg;地球平均半径r=6.371×10^6 m,代入式(5)得光速在远离地球引力场过程中速度的增量

此过程中引力红移量为

计算结果表明，地球表面发出的光线在逆引力场方向传播到无限远过程中，速度增量为∆c=0.21m/s，引力红移量为Z_y=6.96×10^(-10)。

木星

取木星质量M=1.898×10^27 kg，木星平均半径r=7.149×10^7 m，其他参数及计算方式同前。计算结果，木星表面发出的光线在逆引力场方向传播到无限远过程中，速度增量为∆c=5.87m/s，引力红移量为Z_y=1.96×10^(-8)。

太阳

取太阳质量M=1.989×10^30 kg，太阳平均半径r=6.955×10^8 m。计算结果，太阳表面发出的光线在逆引力场方向传播到无限远过程中，速度增量为∆c=636.16m/s，引力红移量为Z_y=2.12×10^(-6)。

作为对比，广义相对论计算太阳光红移量的理论值为2.12×10^(-6)。2020年加拿大天文研究机构IAC利用HARPS测得迄今最精确的太阳光谱中铁光谱线移为 638±6 m/s。可见，利用能量场引力红移原理对太阳光的计算结果，与广义相对论理论值及科学机构最新实测结果都一致。

与哈佛塔实验的引力红移量进行对照

1959年庞德(R.V.Pound)和瑞布卡(C.A.Rebka) 利用穆斯堡尔效应（Mössbauer effect）在美国哈佛大学内高度为22.6米的塔上，实验检测电磁波顺引力场（塔顶射向地面）传播的引力频移,检测值为(2.57±0.26)×10^(-15)。后来庞德和斯尼德尔(Snider)改进实验，于1965年发表了与广义相对论理论值2.46×10^(-15)相当一致的结果(2.46±0.0076)×10^(-15)。[4]

设塔顶距地心距离为r_1，塔顶光速为c_1，与真空光速差值为∆c_1；地面距地心距离为r_2，地面光速为c_2，与真空光速差值为∆c_2；塔顶传播到地面过程中，光速改变量为∆c。利用能量场引力红移计算式(5)有：

据此得到光线顺引力场传播22.6米的红移量为Z_y=-2.47×10^(-15)，结果为负值意味着频率增加，光线发生“蓝移”。这个计算结果与广义相对论理论值及哈佛塔实验检测值都是一致的。

[1] 本系列文章04：光的传播与引力场

[2] [3] 本系列文章02：另一个万有引力公式

[4] 物理教学探讨，Vol.30 No.446 (S)8.2012.66. 王峰，引力红移的测量

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