电磁波在引力场中传播的频率变化研究

Einstein's general relativity predicted the gravitational redshift from the equivalence principle, which states that a clock frequency is universal, and a light-ray in a definite gravitational potential will possess a different frequency when measured by an identical clock. This red shift has been confirmed with Mossbauer effect, and some other experiments since then. These experiments either compared the frequencies of the two radiation sources at different altitudes, or compared the time difference induced by atomic clock frequency differences at different gravitational potentials. Up to the present, there has been no direct observation of the effect of gravity on a light frequency when it propagates in a gravitational field. We propose a new method using the cutting edge technology of high stability transportation and comparison of time and frequency signals through optical fibers. A H-maser signal is transported to another lab with 57 meters lower altitude. The time scale signals are generated in these two labs and compared with two way optical fiber time and frequency transfer (TWOTFT). The light frequency difference between before and after propagation is measured with the same time scale signal. Direct measurement of the light frequency shift during propagating in a gravitational field and setting the upper limit value will help us study the interactions between photon and gravity, and have a better understanding of the general relativity.

爱因斯坦的广义相对论从等效原理推导出引力红移，指出在本征时参考系中原子钟的频率具有普适性，当光在引力场中传播时，不同引力势中测得的频率不同。引力红移的现象已经被多个实验所证实。这些经典的实验，或者是直接比较2台不同海拔高度的原子钟/辐射源的频差，或者比较原子钟的频差引进的时差。目前在国际上没有直接实验测量在绝对时间参考系中，光在引力场中传播时频率是否发生变化。本项目提出利用最新发展的高稳定度光纤时间频率传输比对的方法，将氢钟的频率信号传到海拔高差为57米的另一个实验室，通过光纤双向时间比对的方法，利用同一时标测量电磁波在传输前后两地的频差。直接测量电磁波在引力场中传播是否会引进频移，得到频率变化值及不确定度，可以帮助我们更好的理解相对论，研究光子与引力的相互作用。

根据等效原理，爱因斯坦预测引力势变化会导致光频的变化。这一理论已被很多实验所证实。在这些实验中，从一个源（例如原子钟）产生的光子传播到更深的引力势场，与位于更深引力势场的另一个相同原子钟产生的光子相比时，相对频率变化大约为1.09E-16/米(大地水准面附近)。本项目提出利用相同时钟测量光子传播到不同引力势后的频移的实验。该方法基于高稳定度光纤时间频率传递比对技术。光子从计量院昌平实验室传播到海拔高度差为67米的和平里实验室后，相对频率变化为（1.0±1.7）E-17，相当于1米单位长度的相对频率变化(1.5±2.6)E-19/m。在爱因斯坦的引力红移理论中，光的频率分别由传播前后两个位置的两个时钟测量。换句话说，测量是在本征坐时坐标系中进行的。在本征时坐标上，相同的时钟具有相同的频率，而不管它们所处的引力势如何。引力势的变化会导致坐标时间基准中的时钟频率偏移（引力时间膨胀）。当相对速度可忽略不计时，重力势φ中的时间周期dτ（本征时）与距离任何质量任意长距离处的时间周期dτ0的关系为正比关系，仅差一个g00系数。Kelppner等人通过比较两个时钟组合产生的时标信号，直接测试了时间膨胀效应。在本征时坐标系下，光在传播到不同的引力势后的相对频移是引力势差/c2。变换到坐标时，可以得到光频率在本征时的变化等于坐标时钟频率的变化。因此，在坐标时中，不同引力势下光频率的变化为零，和我们的实验结果一致。同时研究了彭罗斯提出的弱宇宙监督假设。