科學家發現宇宙引力紅移現象,廣義相對論再次得到驗證

在一項發布在《科學》雜誌上的新研究中，天文學家發現，一顆恆星運行到距離人馬座A*最近的位置時產生的引力紅移現象與廣義相對論預言的完美契合。

上述恆星即著名的S2，亦名為S0-2，天文學家已經對其展開了長期觀測。實際上，去年的一項研究就曾表明，人馬座A*強大的引力場對S2產生的引力紅移現象與廣義相對論的預言完美契合。而本次最新的研究結果則來自另外一組獨立的觀測，排除了系統誤差的可能性，進一步驗證了廣義相對論。

S2以一個橢圓軌道環繞著人馬座A*，當運行到距離人馬座A*越近時，S2發出的光波就會被拉得越長，引力紅移現象也就越明顯。S2在2018年3月速度達到最大值、5月運行到最接近人馬座A*的位置、9月速度達到最小值。天文學家對這三個關鍵節點展開了詳細觀測，並分析了S2發出的光波的變化情況。另外，他們還結合1995年至2017年觀測，重建了S2完整的運行軌道。最終結果表明，愛因斯坦又對了！

所謂引力紅移指的是，光波在引力場中被拉長，向紅端移動的現象。由廣義相對論可推知，當從遠離引力場的地方觀測時，處在引力場中的輻射源發射出來的譜線，其波長會變長一些，也就是紅移。只有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。

在愛因斯坦完成廣義相對論之前，他就已經得出引力將會影響光波頻率和波長的結論。由於引力的作用，當向上行進遠離地表的時候光波會損失一部分能量，從而波長變長，頻率下降。

假設一個光脈衝從高處向下發出。光波向下運行到達地面，就好像跳水運動員由於受到重力的拽引相對於地面被加速，原本靜止在地面的探測器相對於光向上做加速運動。相對於光脈衝而言，光源在發出光脈衝的時候是靜止的;但是當光脈衝被探測到的時候，探測器迎著光脈衝運動。由於都卜勒效應的影響，探測器測到的光波的頻率變大。

在相對論中，一個沒有重量，從而不被重力加速的自由落體觀測者所處的參考系是一個"公正"的參考系。靜止的觀察者不能夠判斷光源和探測裝置的相對運動，因為它們都處在重力場中，而這種情況可以通過加速地面和高臺來等效地模擬。這些物理學家們把這種光波頻率的改變稱為引力紅移而不是都卜勒效應。

在廣義相對論的理論中，重力會造成時間的膨脹，這就是所謂的重力紅移或是愛因斯坦位移。

引力紅移證明的現實現象：光線在引力場中地傳播過程會損失能量，波長變長，頻率下降。

引力紅移的深層分析：

1）「彎曲空間」會阻礙物體的運動。

引力紅移證明了光線在引力場中的運動會損失能量，廣義相對論認為引力的本質是時空彎曲。因此，「彎曲空間」會阻礙物體的正常運動。物體在「彎曲空間」中的運動相比在「平直空間」的運動需要消耗更多的能量克服「彎曲」效應（「彎曲」效應是空間稟性，任何在彎曲空間中的運動都腰消耗能量克服彎曲空間——引力作用；然而，在平直空間中確不需要消耗這部分能量）。

2）彎曲時空中的引力勢——「引力能級」。

引力是時空彎曲現象，引力只存在於彎曲空間中（平直空間中不存在引力）。由於時空曲率的不同，引力在空間的大小也不一樣。相同曲率空間位置引力大小相等稱為等勢面。根據曲率的不同可以將時空化分為不同的等勢面——「引力能級」。物體處在同一等勢面（同一「引力能級」）引力不做功。物體在不同等勢面之間運動引力做功。如果由「低能級」（引力小）向「高能級」（引力大）運動，引力做正功加速物體（比如，高空中墜落的物體）。如果由「高能級」向「低能級」運動，引力做負功阻礙物體的運動（比如，向高空拋物體）。物體由「高能級」向「低能級」運動時需要消耗更多的能量克服引力做負功。因此，在引力場強大的空間中運動的物體，「引力能級」和「彎曲空間」阻礙運動現象會更加明顯！

引力紅移的應用：引力紅移可以幫助我們提高「光譜分析」的準確性，更科學地計算宇宙年齡和宇宙大小。