Изменение хода часов в поле тяжелой звезды обычно считают третьим фактом, подтверждающим общую теорию относительности.
Теория этого явления очень проста. Если считать справедливым принцип эквивалентности, то полет кванта света от звезды к земному наблюдателю можно рассматривать так же, как полет космического корабля. На преодоление силы тяжести звезды квант должен затратить энергию, равную потенциальной энергии силы тяжести на поверхности звезды, т. е. величину γM/R, где М и R — масса и радиус звезды соответственно. Полем тяжести Земли пренебрегаем, так как речь идет об очень массивных звездах.
Если считать справедливым закон сохранения энергии, то потеря энергии квантом должна сказаться в уменьшении его частоты. Поэтому свет, приходящий к нам от массивных звезд, должен иметь меньшую частоту, чем такой же свет на Земле. Это и есть эффект красного (т. е. в низкочастотную сторону) смещения спектральных линий.
Таким образом, наблюдение красного смещения позволяет проверить принцип эквивалентности для света.
В этом смысле красное смещение — эффект менее интересный, чем движение перигелия и отклонение луча света, которые частично (отклонение света — на половину, движения перигелия — на 2/3) зависят от изменения закона тяготения.
Красное смещение нужной величины наблюдалось на опыте, хотя точность наблюдений остается пока невысокой (~ 10%).
Для того чтобы проверить существование красного смещения, не обязательно обращаться к помощи астрономов. Смещение спектральных линий, только ядерных, а не атомных, наблюдали и на Земле. Благодаря очень большой чувствительности современных методов ядерной спектроскопии к сдвигу энергии γ-квантов Паунду и Ребка удалось измерить разность энергии γ-линий радиоактивного железа при подъеме источника на 20 м над землей. Изменение энергии на такой высоте можно определить из формулы ΔЕ/Е = gh/c2, что дает для относительного изменения энергии, или частоты, величину 2∙10-15. Именно такой сдвиг и наблюдался на опыте.
Еще более наглядная демонстрация красного смещения была сделана при кругосветном путешествии на самолете.
Два обычных рейсовых самолета приняли на свой борт физиков с точными атомными часами. Самолеты летели примерно на высоте 10 км со скоростью около 1000 км/ч и примерно за двое суток (с посадками) совершили полный облет Земли. Самолеты с точки зрения теории относительности были похожи на планету Меркурий. На время их полета оказывали влияние два явления. Из-за скорости самолетов и вращения Земли часы на их борту отставали в соответствии со специальной теорией относительности, из-за большой высоты часы уходили вперед — влияние поля тяжести.
Часы уходили вперед, так как часы на Земле находились в большем поле тяжести, чем часы на самолете.
Скорость 1000 км/час почти равна скорости вращения Земли, поэтому при движении на запад первое явление — отставание часов — почти компенсировалось. Аккуратные расчеты с учетом маршрута полета, посадок, изменения скорости в полете предсказали, что при полете с запада на восток часы должны были отстать на 4 нс (нано-секунда — 10-9 секунды), а при полете с востока на запад уйти вперед на 275 нс. Так на самом деле и оказалось. Это была, по-видимому, самая дешевая проверка теории относительности.