Используя эффект Мессбауэра, удалось экспериментально подтвердить в земных условиях вывод общей теории относительности о красном смещении фотона. Красным смещением называют изме­нение частоты кванта в поле тяжести. До этого считалось, что в связи с малостью эффектов общей теории относительности ее про­верка требует космических масштабов.

Опыт по обнаружению красного смещения был поставлен американскими физиками Р. Паундом и Г. Ребкой в 1960 г. Как известно, тело в поле тяжести Земли, пройдя разность высот h>при­обретает энергию mghyгде т — масса тела, ag— ускорение си­лы тяжести. Отношение этой величины к энергии покоя тс² есть .

Согласно общей тео­рии относительности, фотон, перемещаясь в поле тяжести, также меняет свою энергию. Причем относительное измене­ние энергии фотона (его частоты) дается той же формулой, что и при Ау _ gfi падении тела, т. е. В земных условиях это изменение частоты чрезвы­чайно мало. Если даже источ­ник фотонов поместить на Ос­танкинскую башню (h ≈ 500 ж), а поглотитель установить на уровне Земли, то состав­ составляет приблизительно 5 • 10-¹⁴, т.е. величину, которую в то время методами, известными до открытия Мессбауэра, обнару­жить было невозможно. Паун­ду и Ребке удалось обнару­жить изменение частоты гамма- кванта с помощью эффекта Мессбауэра при разности высот источника и поглотителя всего 20 ж, т. е. обнаружить изменение частоты гамма-кванта, соответствующее        (рис.     3.7). В эксперименте изменение частоты у гамма-кванта проявлялось в том, что условию максимального резонансного поглощения соответствовала отличная от нуля скорость источника относительно поглотителя. Другими словами, изменение частоты кванта компенсировалось с помощью эффекта Допплера. Величина же смещения, найденная по формуле (5), оказалась в полном соответствии с величиной, предсказанной теорией относи­тельности.

 

 

Не менее удивительной представляется возможность обнаруже­нии с помощью эффекта Мессбауэра изменения массы ядра при ис­пускании гамма-кванта. В соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна е = тс², устанавливающей связь между энергией покоя тела и его массой, масса ядра после испускания гамма-кванта (в связи с изменением энергии ядра) должна уменьшиться на величи­ну Ат. Причем отношение АН оказывается очень малым и с² т составляет приблизительно 10~⁸. Изменение массы ядра в процессе испускания гамма-кванта приводит к уменьшению энергии испущен­ного гамма-кванта по сравнению с Е. Механизм этого уменьшения очень прост. Так как при испускании гамма-кванта импульс отда­чи передается всему кристаллу как целому, импульс ядра, испустив­шего гамма-квант, практически не меняется. Однако за счет изме­нения массы ядра происходит возрастание его кинетической энер­гии на величину:

2 (т — Ат) 2т

В соответствии с законом сохранения энергии на эту же величину уменьшается энергия испущенного кванта. Точный подсчет дает для разности (6) следующее выражение:

 £ ЗА.                                                            =А —(-)², (7)

2 (т — Ат) 2т                     2 \ с )

где v— скорость теплового движения ядра в кристаллической решетке. Поскольку тепловая скорость vзависит от температуры, то сдвиг энергии гамма-кванта, определяемый формулой (7) можно наблюдать по смещению максимума поглощения (рис. 3.5, б) в точку с при изменении температуры источника или поглотителя. Поэтому изменение резонансной энергии гамма-кванта, даваемой формулой (7), называют температурным сдвигом.