引力时间延迟效应

✍ dations ◷ 2025-06-30 00:55:48 #广义相对论,物理现象

引力时间延迟效应(Gravitational time delay),或经常称作夏皮罗时间延迟效应(Shapiro time delay)是在太阳系中能够进行的四个经典广义相对论的实验验证之一(另外三个是引力红移、水星近日点的进动、光线在太阳引力场中的偏折)。这种时间延迟效应是指当雷达信号途径一个大质量天体时,在观测者看来这个信号发射到指定目标以及返回的时间都要比没有大质量天体存在时所需的时间略长。与引力红移的区别在于它是引力场造成的纯粹时间延迟效应,并不改变信号的波长。

引力时间延迟效应最早由美国哈佛大学天体物理学家欧文·夏皮罗(Irwin I. Shapiro)于1964年在理论上提出。1960年前后,广义相对论的实验验证方法似乎已经被研究殆尽,在当时可研究的内容基本只有在数学层面上的理论研究。1962年,理查德·费曼曾因自己参加的一个引力学术会议失望地发出感慨,他说自己从会议中没有学到任何东西,引力领域的讨论如果不是在纠正前人的错误就是毫无用处的内容……自己不会再去参加任何引力的学术会议了。所幸这种情况在1964年得到了改变:夏皮罗从光线在太阳引力场中偏折这一事实中得到启发,他认为如果广义相对论正确,那么当光途经太阳引力场时其 速度将会被减缓,减缓量和角度偏移量成正比。夏皮罗同时设想了一个用于证实他的预言的观测实验:从地面上向金星和水星表面发射雷达波并测量其往返时间。夏皮罗通过计算得到当地球、太阳和金星最大限度地在同一条直线上时,由于太阳质量导致的雷达波往返的时间延迟将达到200毫秒左右,这种延迟量在二十世纪六十年代的技术范围内完全可以观测到。

第一次实验观测是借助麻省理工学院的“草堆”雷达天线(Haystack radar antenna)完成的,其结果和理论预测符合得很好,误差小于5%。其后这种实验被不断重复,并且不断取得更高的精度。1976年的海盗号火星探测器将精度提高到了0.1%;而2003年的卡西尼号土星探测器的实验则达到了小于0.002%,是迄今为止精度最高的广义相对论实验验证。

根据广义相对论理论,固有时和引力场度规下的坐标时存在关系

其中 g 00 {\displaystyle g_{00}} 是引力场度规的分量。引力场越强时,坐标时相对固有时的延迟就越大。

当光信号途经一个单一质量的引力场时,其时间延迟量为

其中 R {\displaystyle \mathbf {R} } 是观测者到信号源位置的单位矢量,而 x {\displaystyle \mathbf {x} } 是观测者到质量 M {\displaystyle M\,} 位置的单位矢量。如果用史瓦西半径表示,时间延迟量可写成

这里 R s {\displaystyle R_{s}} 是质量 M {\displaystyle M\,} 的史瓦西半径: R s = 2 G M c 2 {\displaystyle R_{s}={\frac {2GM}{c^{2}}}}

在行星际探测器(例如旅行者1号、2号,先驱者10号、11号)的测距中,由于太阳引力场的作用引力时间延迟效应一定要被考虑到测距的数据中去。而在所有引力波的探测中,来到太阳系的引力波都会受到太阳、大行星甚至小行星引力场的影响而产生延迟。特别是在对毫秒脉冲星的计时观测中,来自毫秒脉冲星的脉冲信号传播到地球的时间因受到引力时间延迟的影响会造成偏差。由于对毫秒脉冲星的计时是目前探测超低频引力波的仅有手段,因而引力时间延迟效应对超低频引力波的探测的影响也需要被考虑。

“其次我们的结果表明,根据广义相对论理论,光速是一个常数这一定律变得没有任何佐证。它作为狭义相对论的两条基本假设之一,以及作为我们经常引用的定律,由此将不能保证无限度的正确性。一束光的弯曲只可能是因为光在传播过程中速度随位置发生改变而产生。或许现在我们会猜想是不是狭义相对论,以及它推出的所有相关理论即将灰飞烟灭。但事实并非如此。现在我们只能得出结论:狭义相对论并不能保证无限度的正确性,它的结论只是在我们能够忽略引力场对现象(例如,光)的影响时才成立。”——阿尔伯特·爱因斯坦(《广义相对论:第22章 - 广义相对论原理的一些推论》)

相关

  • 避孕生育控制(英语:Birth control)也称为避孕,是避免怀孕的方式或是设备。而计划生育即对生育子女的数量和时间做出计划,其中也会包括取得及使用避孕设备或方式。从远古时代以来,人类
  • 威廉·卡特罗尔威廉·艾伯特·卡特罗尔(英语:William Albert Catterall,1946年10月12日-),出生于罗德岛州普罗维登斯,美国药理学家和神经学家,华盛顿大学医学院教授。他的主要贡献是阐明兴奋细胞离
  • 图书管理员图书馆员是负责图书馆运营的专业人员,其工作包括对馆藏资源的采购、加工、描述、流通(借还)、分析报导、点算书籍、盘点书本、检查书籍、把书本排列好次序、上书、帮忙读者寻找
  • 洛杉矶市政厅洛杉矶市政厅(Los Angeles City Hall)兴建于1928年,是世界最高的使用基础隔震结构建筑,为美国洛杉矶的市政府,设有市长室,以及洛杉矶市议会会场。位于洛杉矶市中心市政中心区,环绕
  • 澄沙之味《澄沙之味》(日语:あん,An),是河濑直美执导的一部日本剧情片,由树木希林、永濑正敏、内田伽罗(日语:內田伽羅)等人主演。入选第68届戛纳电影节“一种注目”单元开幕片。改编自明川哲
  • 太仓市中医医院太仓市中医医院、原太仓市中医院,是中国江苏省的一所医院,为三级乙等中医医院,位于太仓市城厢镇人民北路40号。前身是1958年的城厢镇卫生院。1975年9月,挂牌筹建。1979年8月,建院
  • 三苯基䏲三苯基䏲是一种有机锑化合物,化学式为Sb(C6H5)3。它可以缩写为SbPh3。这种无色固体通常被认为是有机锑化合物的原型。它在配位化学中用作配体,有机合成中用作试剂。SbPh3最早
  • 纳坦·夏兰斯基纳坦·夏兰斯基(希伯来语:.mw-parser-output .script-hebrew,.mw-parser-output .script-Hebr{font-size:1.15em;font-family:"Ezra SIL","Ezra SIL SR","Keter Aram Tsova","
  • 沃尔特·查尔斯·霍斯利沃尔特·查尔斯·霍斯利(英语:Walter Charles Horsley,1855年2月12日-1934年5月18日),英国著名画家,生于油画世家,他的父亲John Callcott Horsley(英语:约翰·考尔科特·霍斯利)(1817年
  • 张抚张抚(1427年-1507年),字世安,陕西凤翔府宝鸡县人,民籍。明朝政治人物。同进士出身。陕西乡试第三十七名。成化八年(1472年)壬辰科进士,由刑部主事进员外郎、郎中,出为四川按察副使,进湖