引力紅移

在愛因斯坦完成廣義相對論之前，他就已經得出引力將會影響光波頻率和波長的結論。由於引力的作用，當向上行進遠離地表的時候光波會損失一部分能量，從而波長變長，頻率下降。但是由於地球重力不是很強，這個效應並不明顯。直到1960年，哈佛大學的Robert Pound和Glen Rebka才最終成功地通過測量驗證了這個關鍵的預言，並在《物理學評論快報》（Physical Review Letters: PRL）上報導了他們的結果。今天，這個所謂的引力紅移（Gravitational Redshift）效應對於了解宇宙，以及操作全球定位系統（Global Positioning System: GPS）起著至關重要的作用。

假設一個光脈衝從高處向下發出。光波向下運行到達地面，就好像跳水運動員由於受到重力的拽引相對於地面被加速，原本靜止在地面的探測器相對於光向上做加速運動。相對於光脈衝而言，光源在發出光脈衝的時候是靜止的；但是當光脈衝被探測到的時候，探測器迎著光脈衝運動。由於多普勒效應（Doppler Effect）的影響，探測器測到的光波的頻率變大。

在相對論中，一個沒有重量，從而不被重力加速的自由落體（Freefall）觀測者所處的參考系是一個“公正”的參考系（Impartial Reference Frame）。靜止的觀察者不能夠判斷光源和探測裝置的相對運動，因為它們都處在重力場中，而這種情況可以通過加速地面和高台來等效地模擬。這些物理學家們把這種光波頻率的改變稱為引力紅移而不是多普勒效應。

在廣義相對論的理論中，重力會造成時間的膨脹，這就是所謂的重力紅移或是愛因斯坦位移。這個作用的理論推導從愛因斯坦方程式的施瓦氏解，以一顆光子在不帶電、不轉動、球對稱質量的重力場運動，產生的紅移：

產生的紅移

此處

·G是重力常數，

·M是創造出重力場的質量，

·r是觀測者的徑向坐標(這類似於傳統中由中心至觀測者的距離，但實際是施瓦氏坐標)，和

·c是光速。

重力紅移的結果可以從狹義相對論和等效原理導出，並不需要完整的廣義相對論。

在地球上這種效應非常小，但是經由莫士包耳效應依然可以測量出來，並且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到驗證。然而，在黑洞附近就很顯著，當一個物體接近事件視界時，紅移將變成無限大，他也是在宇宙微波背景輻射中造成大角度尺度溫度擾動的主要角色。

為了測量這種光波頻率的細微改變，物理學家們必須找到一個頻率能夠被非常精確地測定的電磁波輻射源。直到1959年穆斯堡爾效應（Mössbauer Effect）被發現，實驗的條件才具備。這種效應是由德國海德堡（Heidelberg）普朗克研究所（Max Planck Institute）的穆斯堡爾（Rudolf Mössbauer）發現的，並因此在兩年後獲得了諾貝爾獎。處於激發態的原子躍遷回基態的時候輻射出伽馬射線（Gamma Ray）。穆斯堡爾發現，如果輻射伽馬射線的原子核是包含在一塊高質量晶體內的大量原子核中的一個，那麼每一次輻射出來的伽馬射線的能量幾乎完全相同。輻射出來的伽馬射線可以被另外一個處於基態的同一種原子核吸收，但是這種情況只有在輻射伽馬射線的原子核和吸收伽馬射線的原子核之間沒有相對運動的時候才有可能發生。由於存在多普勒效應，任何相對運動意味著會導致光波的頻率改變，從而不能被同一種的另一個原子核吸收。

Pound和Rebka在哈佛大學的傑弗遜物理實驗室（Jefferson Physical Laboratory）的塔頂，距離地面74英尺的高度，放置了這樣的一個伽馬射線輻射源，並在地面設置了探測器。他們將輻射源上下輕輕地晃動，同時記錄探測器測得的信號的強度。通過這種辦法，他們可以確定為了補償重力造成的頻率改變所需要的相對速度差，確定了相對速度差就可以知道頻率改變了多少。

然後，他們將整個實驗裝置反過來，輻射源放置在地表，而探測器放在塔頂，並測量頻率的改變。結合上下兩個方向的實驗數據，他們可以消除由幾個不同因素造成的實驗誤差。上下兩個方向的實驗測量結果之間的差別很小，如果把光波原來的頻率分成均勻的1015份，頻率的改變僅相當於佔了其中的幾份而已。但是這已經足夠了，正是這個微小的差別體現了純粹由引力造成的差別，這個實驗在百分之十的精度內驗證了愛因斯坦的理論預言。到1964年的時候，他們又改進了這個實驗，使得理論和實驗在百分之一的精度之內吻合。

來自華盛頓大學（Washington University）的Clifford Will是這樣評論的：這是一個卓越的科學成果，不僅僅因為這個實驗是對相對論的一個經典檢驗，而在於非常具有獨創性的實驗設計。並且這個實驗還帶來了非常實用的成果：全球定位導航系統（GPS Navigational System），這個系統中由衛星攜帶的鐘必須經常校正由於引力紅移帶來的誤差。所以相對論的計算保證了貨輪和戰鬥機能夠按正確的路線前進。

引力紅移的經典解釋：在強引力作用下，光的振動介質的密度變大，導致振動頻率發生變化。