引力红移

1. 基础概念：从能量的角度理解光
   光可以被看作是由一个个称为“光子”的粒子组成的。每个光子都拥有能量，其能量大小与光的频率成正比：频率越高（颜色越偏蓝紫），光子的能量就越大；频率越低（颜色越偏红），光子的能量就越小。这是理解引力红移的量子物理基础。

2. 引力场中的能量守恒
   在爱因斯坦的广义相对论中，引力被描述为时空的弯曲。一个关键推论是：在引力场中，任何形式的能量（包括光子的能量）都会受到引力的影响。要将一个物体（或一束光）从引力场强的地方（例如地球表面）移动到引力场弱的地方（例如太空中），需要克服引力做功，从而消耗该物体（或光子）自身的能量。

3. 引力如何影响光子
   想象一个光子从一颗大质量恒星（强引力场）的表面发出，飞向遥远的、引力近乎为零的太空。在飞离恒星的过程中，它需要不断“对抗”恒星的引力，这个过程会消耗光子自身的能量。由于光子的能量与频率挂钩（E = hν，h是普朗克常数，ν是频率），能量减少直接表现为频率的降低。在可见光谱中，频率降低意味着光子的颜色向光谱的红色端移动。这种由于引力效应导致的光谱线向红色（低频）方向移动的现象，就被称为“引力红移”。

4. 定量描述与验证
   引力红移的量 Δν/ν（频率变化与原始频率的比值）与引力势差成正比。对于地球这样的弱引力场，引力红移的效应极其微小，但已被高精度的实验（如庞德-雷布卡实验）精确验证。在强引力场中，如白矮星或中子星附近，引力红移效应会非常显著，成为探测这些致密天体的关键诊断工具之一。

5. 天体物理学中的广泛应用

   • 验证广义相对论：引力红移是广义相对论的三大经典验证之一（另外两个是水星近日点进动和光线在太阳附近的偏折）。
   • 测量天体质量与半径：通过观测致密天体（如白矮星、中子星）光谱线的红移量，可以约束其质量与半径之比（M/R），这对于理解致密物质的状态方程至关重要。
   • 黑洞研究：黑洞事件视界附近的引力红移趋于无穷大，这意味着从该处发出的光，在遥远观测者接收时，频率会降至几乎为零（无限红移），这也是“黑洞”之名的部分由来。
   • 宇宙学红移的辨析：需要将引力红移与由于宇宙膨胀导致的“宇宙学红移”严格区分开来，后者是由于空间本身伸展造成波长被拉长，与引力无关。在分析星系或类星体光谱时，需考虑其自身引力场引起的微小引力红移贡献。