Gravity redshift

Abstract

В высших учебных заведениях рассматриваются основные характеристики гравитационного поля-напряженность и потенциал. В рамках классических представлений студенты знакомятся с равенством инерционных и гравитационных масс. Все эти закономерности воспринимаются слушателями достаточно легко. Но последствия, возникающие вследствие равенства этих масс, не всегда очевидны. Данная статья является обзорной. Ее цель заключается в том, чтобы дать определение гравитационного смещения, доступное для понимания студентов, на простых примерах показать взаимосвязь гравитационного замедления времени (изменения частоты колебаний электромагнитного излучения) с потенциалом гравитационного поля. Формулировка проблемы. В этой работе уделяется внимание методике изложения материала, касающегося одного из важных разделов Общей теории относительности (ОТО)-гравитационного красного смещения. Часть этого материала студентами изучается в курсе общей физики при рассмотрении физических свойств гравитационного поля. Материалы, методы. В данной статье рассмотрены три подхода к пониманию взаимосвязи временных интервалов с изменением частоты колебаний. Первый из них базируется на принципе эквивалентности инертной и гравитационной массы, который утверждает: в гравитационном поле все физические явления происходят точно так же, как в поле инерционных сил (то есть в ускоренных системах отсчета). Мысленный эксперимент, проведенный с лифтом, покоящимся на Земле и движущимся с ускорением силы тяжести, приводит к качественной оценки зависимости временных интервалов от значения потенциала в определенных точках Земли. Во втором случае на основе закона сохранения энергии проведена количественная оценка временного замедления вблизи массивных тел. Значение относительного изменения времени оказывается крайне малой величиной порядка 10-15. Оно было подтверждено в известном эксперименте Паунда и Ребки. Наконец, качественная зависимость частоты колебаний от силы гравитационного поля демонстрируется на примере математического маятника. Результаты. Изложение материала и примеры становится более наглядным, способствует лучшему запоминанию и восприятию студентами новых понятий. Повышается методическое мастерство самого преподавателя. Выводы. Студентам, приступающим к изучению основ общей теории относительности, довольно сложно ощутить сущность гравитационного красного смещения (зависимость хода времени от величины гравитационного поля). В данной статье предпринята попытка пояснить связь промежутков времени с силой гравитации (потенциалом гравитационного поля) на основе трех мысленных экспериментов. Естественно, что связь пространства и времени можно подтвердить на основе и иных экспериментальных данных и теоретических соображений. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: общая теория относительности, напряженность, потенциал гравитационного поля, гравитационное красное смещение, замедление времени. ВВЕДЕНИЕ Постановка проблемы в общем виде. Красное смещение заключается в увеличении длин волн в спектре излучения источника (т.е. смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линия...