5. «Красное» смещение частоты излучения

В соответствии с теорией относительности, фотоны, двигающие­ся от Земли в космос, должны претерпевать «красное» смещение частоты. Иными словами, излучение, покидающее Землю, становит­ся более длинноволновым. Наоборот, излучение, распространяюще­еся к Земле, претерпевает «голубое» смещение частоты, т. е. излуче­ние становится более коротковолновым, следовательно, для фото­на, покидающего Землю, частота будет всегда уменьшаться при отлете от Земли, а для фотона, летящего к Земле, частота будет увеличиваться (рис. 3). Рассмотрим механическую модель. При падении шарика массой т вся его потенциальная энергия mgH перейдет в кинетическую:

mgH = (4)

где H – высота; g – ускорение земного тяготения; v – конечная скорость при падении.

Рис. 3. Механическая модель земного тяготения.

Представим себе фотон с энергией hv, «пущенный» к Земле (рис. 3, б). В соответствии с теорией относительности можем написать:

Е = mc² = hv (5)

или

(6)

У фотона нет массы покоя, его масса проявляется только в дви­жении. Причем, при движении фотона к Земле его энергия увеличи­вается на величину gH/с², при удалении от Земли энергия фотона уменьшается на величину gH/с². Предположим, что в начальный момент времени у двух фотонов, один из которых находится на Земле, а другой – на высоте H от поверхности Земли, будет оди­наковая энергия, равная hv. При смене этих мест у «верхнего» фотона будет энергия, равная hv(1+gH/c²), и он окажется на по­верхности Земли. У «нижнего» фотона энергия будет равна hv(1–gH/c²), и он окажется на высоте H от поверхности Земли. При движении фотона в поле тяготения происходит относительное изме­нение энергии:

(7)

Для выполнения закона сохранения энергии фотона остается одна возможность – сдвиг частоты («красное» или «голубое» сме­щение):

(8)

где Δφ, Δv – абсолютное изменение соответственно гравитацион­ного потенциала и частоты.

Таким образом, в зависимости от движения фотона от одной точки с определенным гравитационным потенциалом к точке с дру­гим гравитационным потенциалом происходит относительный сдвиг частоты (энергии) фотона. Экспериментально проверить это положение в земных условиях впервые удалось Паунду и Ребке с помощью уникального физического эксперимента с использовани­ем открытого в 1957 г. Рудольфом Мёссбауером эффекта резо­нансной γ-флюоресценции без отдачи (эффект Мёссбауера). Этот изящный эксперимент был проведен в башне Гарвардского универ­ситета, высота которой 22,6 м. Точность в этом эксперименте составляла 5∙10^–16 от энергии γ-квантов (источник Со⁵⁷).

В 1976 г. был поставлен другой эксперимент для проверки по­ложений теории относительности в части смещения частоты фото­нов в гравитационном поле Земли.

Американский ученый Веесо с сотрудниками путем сравнения частот квантовых стандартов частоты на водороде, установленных на Зем­ле и в ракете, запущенной с восточного побережья североамериканс­кого континента на высоту 10⁴ км, удалось получить надежный результат: Δv/v=Δφ/с²=4,5∙10^–10. Для того, чтобы представить трудности эксперимента, можно привести следующие параметры:

- исключение влияния температуры стенок резонатора кван­тового водородного генератора до уровня T < 0,01°С;

- постоянство магнитного поля должно быть не менее 10^–3 Гс;

- полное исключение эффекта Доплера (сдвиг частоты из-за разных скоростей бортового и наземного генераторов. Сдвиг из-за этого эффекта на много порядков больше, чем ожидаемое значение – 4,5∙10^–10 = Δv/v);

- во время полета шли непрерывные локационные измерения положения ракеты с нескольких наземных станций. Ее положение измерялось с точностью 1м, а скорость – до нескольких см в сек.

После завершения эксперимента ракета вместе с оборудованием и приборами упала в океан восточнее Бермудского треугольника. Эти два эксперимента являются малой частью великой истории экспериментальной физики. Таким образом, любое излучение, поки­дающее Землю, становится более длинноволновым, чем в момент «старта» на поверхности Земли перед «отлетом» в космос.

Если смотреть на нашу земную цивилизацию со стороны, из далекого космоса, то разумные существа внеземной цивилизации зарегистрируют два вида излучения:

- первичное излучение от Солнца с температурой около 6000°К (инопланетяне поймут, что это излучение – питающее нас);

- тепловое излучение земной поверхности с температурой при­мерно 300°К (по интенсивности этого излучения инопланетяне сделают вывод об уровне нашей цивилизации).

В случае, когда наша цивилизация будет более эффективно ис­пользовать солнечное излучение с помощью идеальных солнечных батарей (батарей будущего), вынесенных в космос, внеземная циви­лизация зарегистрирует третий вид излучения с температурой 900°К–1500°К (в зоне максимальной чувствительности некото­рых полупроводниковых фотоприемников, Δλ_тах = 2-4 мкм). Это излучение представляет собой отработанную энергию от поверх­ности солнечных батарей. Эта составляющая есть уже сейчас, но она крайне мала, если учесть общую площадь солнечных батарей работающих космических аппаратов. Эффективность современных солнечных батарей тоже невысокая (~25%).