Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 1. Рассмотрим с квантовой точки зрения изменение частоты света и искривление светового луча в гравитационном поле. Первый эффект уже рассматривался классически в т. I (§ 72 ) и в т. IV (§109) на основе принципа эквивалентности поля тяготения и ускоренного движения. Полученные там результаты выводятся здесь из закона сохранения энергии с использованием связи между энергией и частотой фотона: $\mathscr{E}=\hbar \omega$. Согласно теории относительности всякая энергия обладает массой, причем инертная и гравитационная массы равны между собой. Применим это положение к ограниченному пучку света с энергией $\mathscr{E}$, распространяющемуся в постоянном гравитационном поле. Гравитационный потенциал поля $\varphi(\mathrm{r})$ может меняться в пространстве. Поскольку свет обладает гравитационной массой $m=\mathscr{E}^{\prime} / c^{2}$, гравитационное поле над ним совершает работу. Если свет переходит из точки с гравитационным потенциалом $\varphi$ в точку с гравитационным потенциалом $\varphi+d \varphi$, то энергия света получает приращение где $G$ – гравитационная постоянная. Интегрируя это уравнение между точками 1 и 2, получим Это соотношение имеет общий характер и не содержит еще никаких квантовых предположений. Оно в равной мере справедливо и в классической, и в квантовой физике. Но получить из него соотношение для частот возможно лишь с использованием зависимости между энергией и частотой, которая дается в квантовой теории. В самом деле, допустим, что световой пучок состоит всего из одного фотона частоты $\omega$. В этом случае $\mathscr{E}=\hbar \omega$, и соотношение (7.1) переходит в Постоянная Планка выпала из окончательного результата. Результат не зависит от ее числового значения. Так и должно быть во всех случаях, если окончательный результат совпадает с классическим. Первоначально соотношение (7.2) было проверено астрономически – по смещению спектральных линий в поле тяготения звезд. Открытие эффекта Мёссбауэра (р. 1929) позволило Паунду (р. 1919) и Ребке в 1960 г. проверить его в земных условиях. В их опытах было измерено изменение частоты света при прохождении в поле тяжести Земли всего 19,6 м по вертикали. Этот вопрос будет разобран в ядерной физике. Предположим, что фотон пролетает мимо Солнца или другого массивного небесного тела массы $M$. Если бы не было поля тяготения, то он двигался бы прямолинейно. Фотон обладает инертной массой, которую мы обозначим через $m$ (разумеется, речь идет о релятивистской массе, так как масса покоя фотона равна нулю). По принципу эквивалентности инертная масса всегда равна массе гравитационной. Поэтому фотон будет подвергаться воздействию силы тяготения $G M m / R^{2}$, направленной к центру Солнца ( $R$ – расстояние от центра Солнца). Влияние касательной составляющей этой силы было выяснено в предыдущем пункте – она вызывает изменение частоты световой волны. Нормальная составляющая искривляет траекторию фотона, т. е. световой луч. Поэтому при прохождении мимо Солнца световой луч должен отклоняться к его центру. Вычислим угол отклонения светового луча. В отсутствие поля тяготения луч был бы прямой линией $A B$ (рис. 13). Будем считать, что в поле тяготения он мало отличается от $A B$. Задача сводится к вычислению импульса $\int F_{n} d t$ нормальной силы $F_{n}$, действующей на фотон, за все время движения. Интеграл должен быть вычислен вдоль истинной траек- Рис. 13 тории фотона. Но в рассматриваемом случае можно применить метод возмущений, заменив при вычислении интеграла истинную траекторию невозмущенной прямолинейной траекторией $A B$ фотона. Допустим, что невозмущенный луч касается края Солнца. Тогда, как видно из рис. 13 , где $r$ – радиус Солнца. Следовательно, Этот импульс нормальной силы должен быть равен изменению количества движения фотона. В рассматриваемом приближении количество движения фотона меняется только по направлению, но не по величине. Его изменение равно $m c \varphi$, где $\varphi$ – угол поворота светового луча. Приравнивая оба выражения, получим Общая теория относительности приводит к вдвое большему результату: Для Солнца эта величина равна $\Phi=1,75^{\prime \prime}$, что согласуется с экспериментом.
|
1 |
Оглавление
|