Dịch chuyển đỏ do hấp dẫn

Sự dịch chuyển đỏ do hấp dẫn của sóng ánh sáng khi nó di chuyển lên trên so với trường hấp dẫn (do ngôi sao màu vàng bên dưới tạo ra). Hiệu ứng được phóng đại rất nhiều trong sơ đồ này.

Trong vật lý và thuyết tương đối rộng, dịch chuyển đỏ do hấp dẫn (còn được gọi là dịch chuyển Einstein trong các tài liệu cũ)^[1][2] là hiện tượng bức xạ điện từ hoặc photon truyền ra khỏi gravity well (dường như) bị mất đi năng lượng. Sự mất năng lượng này tương ứng với sự giảm tần số sóng và tăng bước sóng, thường được gọi là dịch chuyển đỏ. Hiệu ứng ngược lại, trong đó các photon (dường như) thu được năng lượng khi đi vào gravity well, được gọi là dịch chuyển xanh do hấp dẫn (một loại dịch chuyển xanh). Hiệu ứng này được Einstein mô tả lần đầu tiên vào năm 1907,^[3] tám năm trước khi ông công bố thuyết tương đối rộng.

Dịch chuyển đỏ do hấp dẫn có thể được hiểu là hệ quả của nguyên lý tương đương (rằng lực hấp dẫn và gia tốc là tương đương và dịch chuyển đỏ được gây ra bởi hiệu ứng Doppler)^[4] hoặc là hệ quả của sự tương đương khối lượng–năng lượng và bảo toàn năng lượng ('rơi' photon thu được năng lượng).^[4][5][6][7] Dịch chuyển đỏ do hấp dẫn cũng có thể được hiểu một cách tương đương là sự giãn nở thời gian do hấp dẫn tại nguồn bức xạ:^[2][7] nếu hai bộ dao động điện tử (gắn với máy phát tạo ra bức xạ điện từ) đang hoạt động ở các thế hấp dẫn khác nhau, bộ dao động ở thế hấp dẫn cao hơn (xa vật thể hút hơn) dường như sẽ "tích tắc" nhanh hơn; nghĩa là, khi được quan sát từ cùng một vị trí, nó sẽ có tần số đo được cao hơn so với dao động điện tử ở thế hấp dẫn thấp hơn (gần vật thể hút hơn).

Theo phép tính gần đúng đầu tiên, dịch chuyển đỏ do hấp dẫn tỷ lệ thuận với sự khác biệt về thế hấp dẫn chia cho bình phương tốc độ ánh sáng, ${\displaystyle z=\Delta U/c^{2}}$, do đó dẫn đến một hiệu ứng rất nhỏ. Ánh sáng thoát ra khỏi bề mặt của Mặt Trời được Einstein dự đoán vào năm 1911 sẽ bị dịch chuyển đỏ khoảng 2 ppm hay 2 × 10⁻⁶.^[8] Tín hiệu điều hướng từ các vệ tinh GPS quay quanh độ cao 20,000 km tính toán rằng ánh sáng bị dịch chuyển xanh khoảng 0,5 ppb hoặc 5 × 10⁻¹⁰.^[9]

Tham khảo

1. “Einstein shift definition and meaning | Collins English Dictionary”. www.collinsdictionary.com (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 21 tháng 1 năm 2021.
2. ^ Eddington, A. S. (1926). “Einstein Shift and Doppler Shift”. Nature (bằng tiếng Anh). 117 (2933): 86. Bibcode:1926Natur.117...86E. doi:10.1038/117086a0. ISSN 1476-4687. S2CID 4092843.
3. Valente, Mário Bacelar (6 tháng 12 năm 2018). “Einstein's redshift derivations: its history from 1907 to 1921”. Circumscribere: International Journal for the History of Science (bằng tiếng Anh). 22: 1–16. doi:10.23925/1980-7651.2018v22;1-16. ISSN 1980-7651. S2CID 239568887.
4. ^ Florides, Petros S. “Einstein's Equivalence Principle and the Gravitational Red Shift” (PDF). School of Mathematics, Trinity College, Ireland.
5. Chang, Donald C. (2018). “A quantum mechanical interpretation of gravitational redshift of electromagnetic wave”. Optik (bằng tiếng Anh). 174: 636–641. Bibcode:2018Optik.174..636C. doi:10.1016/j.ijleo.2018.08.127. S2CID 126341445.
6. Evans, R. F.; Dunning-Davies, J. (2004). "The Gravitational Red-Shift". arΧiv:gr-qc/0403082. 
7. ^ Scott, Robert B (2015). Teaching the gravitational redshift: lessons from the history and philosophy of physics. Spanish Relativity Meeting (ERE 2014). Journal of Physics: Conference Series (bằng tiếng Anh). 600 (1). tr. 012055. Bibcode:2015JPhCS.600a2055S. doi:10.1088/1742-6596/600/1/012055.
8. Gräfe, Franziska (23 tháng 10 năm 2020). “New study verifies prediction from Einstein's General Theory of Relativity — English”. Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 14 tháng 1 năm 2021.
9. Ashby, Neil (July 20–21, 2006). “Relativity in the Global Positioning System”. American Association of Physics Teachers. Truy cập ngày 14 tháng 1 năm 2021.