Берестовой А.М., Надточий В.А.
[etffizika@rambler.ru]
Учебно-научный профессионально-педагогический институт Украинской инженерно-педагогической академии, ДГПУ
 Download in PDF: http://fmo-journal.fizmatsspu.sumy.ua/journals/2020-v1-23/2020_1-23-Berestovoy-Nadtochy_FMO.pdf
ГРАВИТАЦИОННОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ
В высших учебных заведениях рассматриваются основные характеристики гравитационного поля – напряженность и потенциал. В рамках классических представлений студенты знакомятся с равенством инерционных и гравитационных масс. Все эти закономерности воспринимаются слушателями достаточно легко. Но последствия, возникающие вследствие равенства этих масс, не всегда очевидны. Данная статья является обзорной. Ее цель заключается в том, чтобы дать определение гравитационного смещения, доступное для понимания студентов, на простых примерах показать взаимосвязь гравитационного замедления времени (изменения частоты колебаний электромагнитного излучения) с потенциалом гравитационного поля.
Формулировка проблемы. В этой работе уделяется внимание методике изложения материала, касающегося одного из важных разделов Общей теории относительности (ОТО) - гравитационного красного смещения. Часть этого материала студентами изучается в курсе общей физики при рассмотрении физических свойств гравитационного поля.
Материалы, методы. В данной статье рассмотрены три подхода к пониманию взаимосвязи временных интервалов с изменением частоты колебаний. Первый из них базируется на принципе эквивалентности инертной и гравитационной массы, который утверждает: в гравитационном поле все физические явления происходят точно так же, как в поле инерционных сил (то есть в ускоренных системах отсчета). Мысленный эксперимент, проведенный с лифтом, покоящимся на Земле и движущимся с ускорением силы тяжести, приводит к качественной оценки зависимости временных интервалов от значения потенциала в определенных точках Земли. Во втором случае на основе закона сохранения энергии проведена количественная оценка временного замедления вблизи массивных тел. Значение относительного изменения времени оказывается крайне малой величиной порядка 10-15. Оно было подтверждено в известном эксперименте Паунда и Ребки. Наконец, качественная зависимость частоты колебаний от силы гравитационного поля демонстрируется на примере математического маятника.
Результаты. Изложение материала и примеры становится более наглядным, способствует лучшему запоминанию и восприятию студентами новых понятий. Повышается методическое мастерство самого преподавателя.
Выводы. Студентам, приступающим к изучению основ общей теории относительности, довольно сложно ощутить сущность гравитационного красного смещения (зависимость хода времени от величины гравитационного поля). В данной статье предпринята попытка пояснить связь промежутков времени с силой гравитации (потенциалом гравитационного поля) на основе трех мысленных экспериментов. Естественно, что связь пространства и времени можно подтвердить на основе и иных экспериментальных данных и теоретических соображений.
Ключевые слова: общая теория относительности, напряженность, потенциал гравитационного поля, гравитационное красное смещение, замедление времени.
GRAVITY REDSHIFT
Anatoliy Berestovoy, Viktor Nadtochyi
Donbas State Pedagogical University, Ukraine
Abstract. This article is a review. Its purpose is to give a definition of gravitational displacement, which is understandable for students, to show, with simple examples, the relationship of gravitational time dilation (changes in the frequency of oscillations of electromagnetic radiation) with the potential of the gravitational field. A qualitative dependence of the oscillation frequency on the gravitational field strength is demonstrated by the example of the accelerated movement of an elevator and a mathematical pendulum.
Formulation of the problem. In this paper, attention is paid to the method of presentation material relating to one of the most important sections of the General theory of relativity (theory of gravity) – gravitational redshift. Students study part of this material in the course of general physics when considering the physical properties of the gravitational field. Many experts interpret the gravitational redshift as time dilation near massive bodies. In recent years, an invaluable contribution to the development of basic provisions of the Special Theory of Relativity was introduced by scientists from different countries, among which I.D. Novikov, I.S. Shklovsky, Art. Hawking, Y.D. Zeldovich, V. B. Braginsky, L.D. Landau,N.V. Mickiewicz, L.B. Okun'. The purpose of this article is, first of all, to define gravitational displacement, understandable by students and show a correlation of gravitational time dilation (frequency changes oscillations of electromagnetic radiation) with power and energy field characteristic.
Results. Two types of redshift are known - cosmological and gravitational. Both the first and second phenomena consist of an increase in the wavelength (decrease in frequency) in the emission spectrum of space objects (galaxies, stars) in comparison with the reference spectra. In the first case, the redshift is called the cosmological redshift. It is associated with the expansion of our Metagalaxy. In the second case, we are dealing with a gravitational redshift associated with a decrease in the frequency of radiation emanating from sources with large gravitational fields. In higher education institutions, the gravitational field and its main properties - tension and potential, as the power and energy characteristics of this field are considered. In the framework of classical representations, students get acquainted with the identity of inertial and gravitational masses. These questions are understandable. But the consequences arising from the equivalence of inertial and gravitational masses are not always obvious. Three approaches to understanding the relationship of time intervals with a change in the oscillation frequency are considered. The first approach is based on the principle of equivalence of inertial and gravitational mass, which is based on the statement: in a gravitational field, all physical phenomena occur in the same way as the field of inertial forces (i.e., in accelerated reference systems). A thought experiment conducted with an elevator resting on the Earth and moving with the acceleration of gravity leads to a qualitative assessment of the dependence of the time intervals on the potential value at certain points on the Earth. In the second case, based on the law of conservation of energy, a quantitative estimate of the time dilation near massive bodies is obtained. The value of the relative time dilation turned out to be extremely small of the order of 10-15 and was confirmed in the well-known Pound and Rebko’sexperiment. Finally, a qualitative dependence of the oscillation frequency on the gravitational field strength is demonstrated by the example of a mathematical pendulum.
Conclusion. This article attempts to explain the relationship time intervals with the potential of the gravitational field based on three thought experiments. Naturally, the relationship between space and time can be confirmed based on other experimental data and theoretical considerations. The author expects this article to broaden the view of readers interested in the problems of gravity.
Keywords: general theory of relativity, tension, gravitational field potential, gravitational redshift, time dilation.
Список использованной литературы
- Берестовой А. Чикунов П. К методике изложения темы «Принцип эквивалентности» Збірник наукових праць «Гуманізація навчально-виховного процесу». Харків, 2017. № 4. (84). С. 33-44.
- Паунд Р.В. О весе фотонов. Успехи физических наук. Российская Академия Наук, 1960. Т. 72, вып. 4. С. 673-683.
- Хокинг Ст., Млодинов Л. С. Кратчайшая история времени / под ред. А.Г. Сергеева. СПб.: ТИД Амфора, 2006. 180 с.
|