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什麼是引力場紅移,愛因斯坦預言的這種宇宙現象是如何產生的?

什麼是引力場紅移呢,簡而言之,引力紅移是由引力時間膨脹效應導致的。具體而言,當光從天體的表面發出,朝著觀察者的方向運動之時,觀察者會發現這道光的頻率降低,波長變長,光譜呈現紅移的現象。根據愛因斯坦的廣義相對論,這是因為對於處在弱引力場中的觀察者(例如,地球上的觀察者)而言,在強引力場中(例如,大質量恆星或者黑洞附近)的時間流逝速率較慢,並且引力場越強,時間過得越慢。時間變慢意味著光波的兩個波峰之間的時間長度增加,所以光的頻率降低,波長變長,此即為引力紅移。

什麼是引力場紅移,愛因斯坦預言的這種宇宙現象是如何產生的?

由於恆星的引力場遠遠強於地球的引力場,這意味著包括太陽在內的恆星所發出的光到達地球之後都會出現引力紅移的現象。雖然光線在進入地球引力場之後會出現藍移的現象,但其程度遠小於原先的紅移,所以綜合結果依然表現出紅移。

什麼是引力場紅移,愛因斯坦預言的這種宇宙現象是如何產生的?

我們也可以換個角度來理解引力紅移的現象。由於恆星周圍具有很強的引力場,當光從引力場中逃逸出來時,就會失去部分能量。根據光子能量的公式E=hν,光的能量與其頻率成正比,如果光的能量減少,則它的頻率也會隨之降低,所以波長變長。

什麼是引力場紅移,愛因斯坦預言的這種宇宙現象是如何產生的?

不過,對於諸如太陽這樣的普通恆星,由於其引力場相對較弱,所以從這些恆星表面發出的光不會出現顯著的引力紅移現象,我們在地球上很難直接探測到。只有發光天體表面的引力足夠強時,才能探測到這種現象。天文學家最早在白矮星發出的光譜中探測到引力紅移的現象,這是由於白矮星是從恆星坍縮而來,其密度極高,表面的引力很強。

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