论光的频移和时空相对性的关系(压)2013.6.22.doc

论光的频移和时空相对性的关系曹焱(合肥工业大学硕士研究生)241002摘要:本论文是一篇理论推导文章。通过理论分析,在进行洛伦兹变换时,当两个参照系之间的相对速度发生变化时,测量这两个参照系之间的光,会发生光的“红移”或“紫移”现象,这一现象叫光的频移。在测量时空变化的光子的信息时,光的频移导致光信息的提前或滞后,在定性分析和定量分析后,推导出光的频移对时空变化的影响,得出了光的频移是产生时空相对性的变化的重要原因和因素。因为,光量子在频移时被压缩(紫移时)或光量子被拉伸(红移时),产生光量子携带的信息提前(紫移时)或延迟到达(红移时),从而改变了时间和空间的数值变化,产生时空相对性变化的事实。爱因斯坦的相对论中,也会产生时间和空间的相对性变化。本文通过对光的频移产生时空相对性变化和相对论中时空相对性变化的比较和分析,得出光的频移产生时空相对性变化的新结果。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;mercialuse关键词:红移,紫移,光速,相对论,洛伦兹变换。中图文分类法:O412-;:所谓光的多普勒效应:就是用光照射运动着的物体,反射光的频率随物体运动速度而改变的现象。即多普勒效应是指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化,在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(称为光的“紫移”现象),在运动的波源后面,产生相反的效应,波长变得较长,频率变得较低(称为光的“红移”现象),波源的速度越高,所产生的效应越大,根据光波红移或紫移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度,恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度,这种现象称为多普勒效应。,在狭义相对论中,将在一个惯性系中测得的、发生在该惯性系中同一地点的两个事件之间的时间间隔称为原时,那么,在不同惯性系中测量这两个给定两个事件之间的时间间隔,测得的结果以原时最短。即在相对论中:在S’系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔,在S系中观测者看来这两个事件为异地事件,这两个事件之间的时间间隔总是比要大,二者之比为;也就是说运动的时钟走的速率比静止时的时钟走的速率要慢,称为时间延时效应。设在(S’系)飞船中,光从飞船地板上N点垂直向上发出脉冲光(事件1),见图1-1 figure1-1,到飞船顶M点被么射到点N(事件2)。由于在S’系中,事件1和事件2发生在同一地点N,飞船中的观测者只要一直静止在此系中的钟C旁,就可测得这两个事件之间的时间间隔,见图1-1 figure1-1中(b)。若从N点到M点的距离为D,则有:2D=c但对地面(S系)的观测站A而言,这两个事件光走过的路程为2H的等腰三角形NMN’的两个边,见图1-1 figure1-1(a)(b),由于不发生在同一地点,必须用放置在事件1发生地(与N点对应)和事件2发生地(与N’点对应)的两只钟,这两只钟都与C钟结构相同并一起校准过的钟C’和钟C’’才能测得这两个事件之间的时间间隔,设为,根据光速不变原理,得:2H=c由三角形NMN’可得:从上三式中消去D和H得:上式中,,由于>1,所以>,即:S’系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔,在S系中观测到的是两个不同地点发生的事件之间的时间间隔,而且总是比大,两都之比为,这一现象在相对论中就叫时间缓效应。,观察一沿x轴正方向、以速度u运动光源发出的光的频率,见图1-2 (figure1-2),设光信号从L(x、y、z)点发出的时刻为t,在原点O的观察者在时刻接收到此信号,则应有:将此式两边微分,并考虑到u=,得:=c2(t,-t)()或=(1+)式中=,设对应于S系中的,在S,系的原时为dt0,则根据时间延缓式有:代入到=(1+)得:光源在时间内发出的光波数,位于S系原点的观测者在时间内接收到,因此式给出了观测者实测到的光频率与光源固有频率间的关系为:当时,得光波的纵向多普勒效应实测频率公式为:“红移”现象式说明:当光源离开观测者,式中取正号,这时<,即实测频率小于光源固有频率,这时为光的“红移”现象。“紫移”现象式中,当光源趋近于观测者,式中取负号,这时>,此时有实测光的频率大于光的固有频率,这时为光的“紫移”现象。,当发生光的“紫移”现象后,其光波的波长周期变为;发生光的“红移”现象后,这时其光波的波长周期变成了。很显然这里有:>T>如图3-1(fi