引力红移（Gravitational Redshift）

本文作者：天疆说

本文参考：Li Y et al. 2026 Chin. Phys. Lett. 43 031101

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定义

引力红移是广义相对论预言的一种基本效应，指在静态引力场中，位于不同引力势位置的时钟会观察到不同的频率。具体而言，在较深的引力势（即更靠近引力源）处，时间流逝得更慢，因此从较浅引力势处观察时，深引力势处的光频率会向红端偏移——即发生"红移"。

物理原理

在广义相对论框架下，两个位于不同引力势高度的时钟之间的相对频率偏移与引力势差成正比：

其中：

• $\Delta f/f$ 是相对频率偏移
• $\Delta U$ 是引力势差
• $c$ 是真空光速
• $\alpha$ 是违反参数，若局域位置不变性（LPI）成立则 $\alpha = 0$

引力红移实验通过约束 $\alpha$ 参数来验证爱因斯坦等效原理。

历史验证实验

地月空间测量优势

在地月空间的远距离逆行轨道（DRO）上进行引力红移测量具有独特优势：

1. 大引力势差：DRO位于约30万~45万公里的地心距离，产生的引力势差约为 $6.8 \times 10^{-10}$，比地面实验大数个量级

2. 轨道长期稳定：DRO位于地球和月球引力平衡的鞍点区域，轨道长期动力学稳定，减少轨道维持操作的干扰

3. 环境干扰小：地月空间避免了地球磁场和大气层的复杂干扰，有利于长期连续精密测量

与DRO-A实验的关系

2025年4月，中国科学院发射的DRO-A卫星在人类历史上首次在地月空间DRO上利用星载被动氢原子钟（PHM）进行了引力红移测量实验。实验采用K波段双向单程测距（DOWR）技术，通过星-地时间频率比对得到测量结果 $(8.74 \pm 4.17) \times 10^{-3}$。该实验验证了在地月空间进行引力红移测量的可行性，为未来更高精度的基本物理检验奠定了基础。

相关概念

• 远距离逆行轨道（DRO）
• 被动氢原子钟（PHM）
• 双向单程测距（DOWR）
• 爱因斯坦等效原理（EEP）
• 阿伦偏差（ADEV）
• 引力位（Gravitational Potential）

参考文献

• Li Y, Liu T et al. 2026 Chin. Phys. Lett. 43 031101
• Will C M 2014 Living Rev. Relativ. 17 4
• Delva P et al. 2018 Phys. Rev. Lett. 121 231101
• Herrmann S et al. 2018 Phys. Rev. Lett. 121 231102