多普勒与红移

郭红锋

在天文学家的列表里，你可能找不到多普勒的名字，但是提起多普勒效应，那几乎是人人皆知;在天文学的名词里，你可能对“红移”这个词耳熟能详，但是你可能不知道它与多普勒的关系。我们在这里就谈谈多普勒与红移的故事。

为了讨论多普勒效应，首先我们得知道什么是波。波动是自然界当中物质运动的重要形式，例如水波（见图1）。我们把水波截面后就会发现水波的传播有波浪形的规律（见图2），其实这也是所有的波的传播规律（见图3）。

波的特性可以用波长或频率描述（见图3），波长是指波在一个振动周期（T，时间单位）内传播的距离（λ，长度单位），频率就是波传播的快慢程度。波长入等于波速u和周期T的乘积，即λ=uT。

同一频率的波在不同介质中传播速度是不同的，所以波长也不同。频率（用f表示）就是某一固定时间内（例如T），通过某一指定位置的波的数目，即f=1/T或T=1/f。

真空中所有电磁波传播的速度都是光速（用C表示）。所以λ=CT=C/f，也就是波长和频率互为倒数。

同一种波，压缩后波就变密集（波长短了，频率高了），拉伸后波就变稀疏（波长长了，频率低了）。

多普勒效应最初是描述声波的，由奥地利物理学家多普勒（见图4）在1842年提出。

多普勒效应普遍存在于我们的日常生活中。例如一辆汽车疾驰而来时，我们听到喇叭的声音尖利;当汽车远离我们而去时，我们听到喇叭的声音低沉。这是因为，波源（汽车）和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率相对波源发出时的频率发生了变化。远方急驶过来的汽车喇叭的声波，前波与后波相挤压，波变密集，波长变短，频率变高，我们听到的声音就变得尖利;离开我们而去的汽车喇叭的声波，前波与后波拉开了距离，波变稀疏，波长变长，频率变低，我们听到的声音就变得低沉。这就是多普勒效应（见图5）。

所有的波动现象（包括可见光波）都存在多普勒效应。可见光是一种混合光，里边有眼睛可以看见的了种颜色（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫），这了种颜色的不同就在于它们的波长（频率）相差一点点（从红色光到蓝色光，其波长依次变短）。所以，可见光波长的变化使人感觉到颜色的变化。

例如，一颗恒星远离我们而去（见图6上），它发出的可见光波伸长了，我们就可以测量到它的可见光谱线向红光方向移动，这种现象稱为红移;如果一颗恒星朝我们而来（见图6下），它发出的可见光波压缩了，我们就可以测量到它的可见光谱线向蓝光方向移动，这种现象称为蓝移。这就是恒星光谱的多普勒效应（见图7）。

光波的多普勒效应在近代天文学上影响非常巨大。

20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。1929年，美国天文学家哈勃根据光谱红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度v与距地球的距离r成正比。根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀。由此反推可以得知，宇宙在前一时刻比后一时刻小，继续推论就得出宇宙在某一时刻前是不存在的，它只能从一点开始膨胀。因而，1948年天文学家伽莫夫提出大爆炸宇宙模型。20世纪60年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被主流天文学家称为宇宙的“标准模型”。

最后，给同学们留下两个思考问题：

1.除了声波和光波，你还知道哪些波有多普勒效应，举例说明现象？

2.除了水波，你还看见过什么样的波动现象，你能做一个简单的波动实验吗？