引力红移是光在强引力场中传播时，由于引力作用导致光波波长变长、频率降低的现象。这一现象最早由爱因斯坦在1907年基于等效原理预测，比他提出广义相对论早了8年。任何遵循等效原理的引力理论都应该包含引力红移，如果不存在，将会与相对论产生矛盾。

当光线从强引力场中射出时，它会损失一部分能量，这是因为引力场的作用使得光子在上行过程中需要克服引力势能。随着光子远离引力源，其能量减少，波长变长，频率降低，这种现象就是引力红移。在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离。

引力红移的观测验证了广义相对论的正确性。例如，2018年，天文学家在银河系中心最大黑洞附近观测到了引力红移现象，这再次证实了爱因斯坦广义相对论的预言。此外，地球上射出的光也会受到地球引力的影响，产生轻微的引力红移，尽管地球的引力场相对较弱。引力红移现象在银河系中心黑洞附近的观测，是天文学家验证广义相对论预言的重要证据之一。银河系中心的超大质量黑洞，人马座A*（Sagittarius A*），是一个理想的观测对象，因为它拥有巨大的质量和强大的引力场，为研究引力红移提供了绝佳的自然实验室。

2018年，天文学家在银河系中心最大黑洞附近观测到了引力红移现象，这是人类首次在黑洞身边观测到这一现象。德国马克斯·普朗克地外物理研究所的一个研究团队，自1990年代开始在人马座A*身边寻找线索，并且锁定了一颗恒星S2作为观测对象。S2是一颗绕行人马座A*运行的恒星，轨道周期为16年，这使得它成为了一个理想的观测目标。

2018年4月，从地球观测看来，S2达到最高速度每秒7600公里，相当于3%光速。5月，S2相距黑洞最近，距离人马座A*黑洞120个天文单位（180亿公里），相当于太阳系里太阳风抵达的边界。在这一过程中，通过欧洲南方天文台的甚大望远镜阵列，天文学家发现了梦寐以求的观测现象——从S2发来的星光，在人马座A*黑洞的强大引力作用下，产生了引力红移现象——光波被拉长了，光波频率变低了。

这一发现不仅再次证实了爱因斯坦广义相对论的正确性，还为科学家提供了一个独特的视角，来研究黑洞周围的时空结构和引力效应。此外，这一观测结果也标志着一个时代的开始，科学家可以利用银河系中央超大质量黑洞周围的恒星轨道来测试引力的本质，这是通向未来更强的广义相对论和其他引力理论测试的里程碑。

总之，引力红移现象在银河系中心黑洞附近的观测，不仅验证了广义相对论的预言，还为研究黑洞周围的时空结构和引力效应提供了重要线索，对天文学和物理学的发展具有重要意义。

引力红移不仅在天文学中具有重要意义，还对GPS卫星的运行产生影响。由于卫星处于较弱的引力场中，其时钟运行速度比地面快，必须考虑到引力场修正，减慢频率，以保持与地面时钟的同步。这体现了广义相对论在实际应用中的重要性。

总之，引力红移是光在强引力场中传播时，由于引力作用导致光波波长变长、频率降低的现象。这一现象的观测验证了广义相对论的正确性，并在天文学和实际应用中具有重要意义。

宇宙学红移和引力红移虽然都表现为光波波长变长、频率降低的现象，但它们的本质区别在于形成机理和物理背景不同。

1. 宇宙学红移： 宇宙学红移是由于宇宙的膨胀导致的。当光从遥远的星系传播到地球时，宇宙空间在光传播的过程中不断膨胀，使得光波被拉长，波长变长，频率降低。这种红移与光源和观测者之间的相对运动无关，而是由宇宙本身的膨胀造成的. 宇宙学红移反映了宇宙的宏观结构和演化历史。它与宇宙的尺度因子有关，尺度因子描述了宇宙不同时刻大小和今天大小之比。随着宇宙的膨胀，尺度因子增加，导致光的频率降低，波长变长。 宇宙学红移的计算与宇宙学模型有关，例如，在标准的ΛCDM模型中，宇宙学红移与尺度因子的关系为$z = \frac{1}{a(t_e)} - 1$，其中$a(t_e)$是光发射时的尺度因子。

2. 引力红移： 引力红移是由于光在强引力场中传播时，由于引力作用导致光波波长变长、频率降低的现象。当光线从强引力场中射出时，它会损失一部分能量，这是因为引力场的作用使得光子在上行过程中需要克服引力势能。引力红移体现了广义相对论中的时空曲率效应。在强引力场中，时空的几何结构被扭曲，导致光的传播路径和速度发生变化，从而引起光波的频率变化. 引力红移的计算基于广义相对论的时空几何，例如，在静态的史瓦西时空中，引力红移的计算公式为$\Delta f/f = -\frac{GM}{c^2r}$，其中$G$是引力常数，$M$是引力源的质量，$r$是观测者与引力源的距离，$c$是光速。

综上所述，宇宙学红移和引力红移虽然都表现为光波波长变长、频率降低的现象，但它们的本质区别在于形成机理和物理背景不同。宇宙学红移是由宇宙的膨胀造成的，反映了宇宙的宏观结构和演化历史；而引力红移是由于光在强引力场中传播时，由于引力作用导致光波波长变长、频率降低的现象，体现了广义相对论中的时空曲率效应。

引力红移的计算依赖于引力势能的概念，这在广义相对论和牛顿力学中都有体现。在广义相对论中，引力红移是由于光子在穿越引力场时能量的减少，这可以被理解为光子的一部分能量转化为引力势能。在牛顿力学框架下，这一现象同样可以被解释，尽管物理图像略有不同。下面分别从广义相对论和牛顿力学的角度来阐述引力红移与引力势能的关系。 1. 广义相对论中的引力红移：在广义相对论中，引力红移是时空曲率效应的结果。当光子从一个强引力场区域向弱引力场区域传播时，其频率会降低，波长会变长。这是因为光子在穿越引力场时，需要克服引力势能，导致其能量减少。 引力红移的计算公式可以基于史瓦西度规推导得出。对于一个静止的、非旋转的、球对称的物体（如地球或恒星），其引力红移可以通过以下公式计算：$\Delta f/f = -\frac{GM}{c^2r}$，其中$G$是引力常数，$M$是引力源的质量，$r$是观测者与引力源的距离，$c$是光速。这个公式表明，引力红移的大小与引力源的质量成正比，与观测者到引力源的距离成反比，且与光速的平方成反比。这反映了光子在穿越引力场时，其能量（频率）的减少与引力势能的增加是直接相关的。 2. 牛顿力学中的引力红移： 在牛顿力学框架下，引力红移可以被解释为光子动能向势能的转换。当光子从一个强引力场区域向弱引力场区域传播时，它会失去一部分动能，这部分能量转化为引力势能。 牛顿理论下的引力红移计算公式为：$\Delta E = -\frac{GMm}{r}$，其中$E$是光子的能量变化量，$m$是光子的引力质量。当光子的惯性质量$m$与引力质量相等时，这个公式可以进一步简化。 由于实际观测到的红移量很小，光子质量在运动过程中损耗不大，牛顿理论下的公式可以近似为：$\Delta f/f \approx -\frac{GM}{c^2r}$。这与广义相对论的计算结果在一级近似下是一致的。 综上所述，无论是从广义相对论还是牛顿力学的角度来看，引力红移的计算都依赖于引力势能的概念。在广义相对论中，引力红移是时空曲率效应的结果，光子在穿越引力场时能量的减少可以被理解为光子的一部分能量转化为引力势能；而在牛顿力学框架下，引力红移可以被解释为光子动能向势能的转换。两种理论在一级近似下的计算结果是一致的，这支持了“等效原理”的合理性。

在不同的引力场中，光子的频率变化可以通过广义相对论中的公式来计算。当光子从一个引力场传播到另一个引力场时，其频率会发生变化，这种现象被称为引力红移或引力蓝移，具体取决于光子是向引力源移动还是远离引力源。 对于一个静止的、非旋转的、球对称的物体（如地球或恒星），其引力红移可以通过以下公式计算：

$$ \frac{\Delta f}{f} = -\frac{GM}{c^2r} $$ 其中： - $\Delta f$ 是光子的频率变化量。 - $f$ 是光子的初始频率。 - $G$ 是万有引力常数，数值上大约为 $6.674 \times 10^{-11} \, \text{m}^3/\text{kg}\cdot\text{s}^2$。 - $M$ 是引力源的质量。 - $r$ 是观测者与引力源的距离。 - $c$ 是光速，在真空中大约为 $299,792,458 \, \text{m/s}$。 这个公式表明，光子的频率变化量与引力源的质量成正比，与观测者到引力源的距离成反比，且与光速的平方成反比。这意味着，当光子从一个强引力场区域向弱引力场区域传播时，其频率会降低，波长会变长，即发生引力红移；反之，当光子从一个弱引力场区域向强引力场区域传播时，其频率会增加，波长会变短，即发生引力蓝移。 例如，对于地球表面的引力红移量，可以使用上述公式进行计算。地球的质量 $M$ 大约为 $5.965 \times 10^{24} \, \text{kg}$，地球半径 $R$ 大约为 $6,371,393 \, \text{m}$。代入公式，可以算出在地球表面处的引力红移量（相对于从地球质点发出的初始光而言）为：

$$ \frac{\Delta f}{f} = -\frac{GM}{c^2R} \approx -6.952 \times 10^{-10} $$ 这意味着，在地球表面附近，光子的频率会略微降低，但这种变化非常微小，通常只有在高精度的实验中才能被检测到。 此外，当光子在不同高度的引力场中传播时，其频率变化也会有所不同。例如，在地球表面附近1米高度差的引力红移量为：

$$ \frac{\Delta f}{f} = -\frac{GM}{c^2(R-1)} + \frac{GM}{c^2R} \approx 1.091 \times 10^{-16} $$ 而在地球表面附近1毫米高度差的引力红移量为： $$ \frac{\Delta f}{f} = -\frac{GM}{c^2(R-0.001)} + \frac{GM}{c^2R} \approx 1.090 \times 10^{-19} $$ 这些计算结果表明，即使在地球表面这样相对较小的引力场中，光子的频率也会受到引力的影响，但这种影响非常微小，通常只有在极端条件下或高精度的实验中才能被观测到。在更强的引力场中，如黑洞或中子星附近，这种效应会更加显著，可以被用来研究这些天体的性质和行为。