多普勒效应

具有讽刺意味的是，正当一些思想家开始相信科学将导致宗教的终结时，物理学又给了他们一个暂停这种想法的信号，因为关于光的又一个有科学意义的发现似乎支持了教会方面的“创世说”，而不是支持无神论。当时远非人人都能预见到这一点。和夫琅和费大不一样，克里斯蒂安·多普勒意识到了他于1842年在维也纳做出的发现对于天文学具有的意义，但还要经过大约70年，它才导致了宇宙学的一次革命，并且似乎是给教会的创世说提供了证据。

多普勒发现的原理对光学和声学同样有效，先考虑一下声学的情形似乎更容易掌握这一原理的基本点。在一列火车呼啸着进站和出站时，就等于在演示着多普勒原理的声学效应。这时每一个站在月台上的人，都能听到火车接近、通过、然后远离而去时声音的变化。当然，在火车接近时声音会越来越大，远离时声音会越来越小；但除此之外还会有声调的变化：在火车接近时声调越来越高，远离时声调越来越低。然而，如果这时有一个人坐在火车上，他就听不到这种声调的变化。那么，对站在月台上的人所听到的声调变化又该怎样解释呢？

多普勒意识到，声调的变化与声音从声源传播到月台上的测量者所用的时间的变化有关。如果把火车的运动分解成不同的时段来考察，结果会更容易理解。假定在时刻A时，快速接近的火车距测量者的距离是100米，那么声音从火车传播到测量者所需的时间是约300毫秒；而在时刻B时，上述的距离变为90米，但声音的传播速度是不变的（指声音在空气中的传播速度总是不变的。——译者），所以传播这段距离所需的时间就只要270毫秒；即在距离缩短了10%的条件下，所需时间也减少了10%，在时刻B比在时刻A所需时间减少了30毫秒。那么在时刻C、时刻D……所需时间会逐渐减少下去。这意味着，一列正在接近的火车所发出的声音在到达测量者时，好像是被“压缩”了似的。

而一旦火车从测量者面前通过后并远离而去，与上述过程相反的过程就会发生。假定在X时刻火车距离是100米，传播所需时间是300毫秒；在Y时刻火车距离是110米，传播所需时间就变成330毫秒；在Y时刻比在X时刻中所需时间增加了30毫秒。在以后的时刻中，所需时间会逐渐增加下去。这意味着，一列正在远离的火车所发出的声音，在到达测量者时好像是被“拉长”了似的。

多普勒效应提供了一种难得的分析星光的方法，它使得我们能计算出遥远的恒星或星系的运动方向和速度。

这个关于火车进站的分析似乎和宇宙学相差甚远，和光学多普勒效应、恒星及宇宙创生都没有什么关系。但实际上，多普勒最早是把这种以他的名字命名的效应与光相联系，而不是与声音相联系的。可是要理解光学多普勒效应却要困难得多，因为在日常生活条件下很难进行与之有关的实验。然而，光学多普勒效应对于理解在20世纪初出现的新的宇宙理论却是至关重要的。如果能很好地理解声源接近时的“压缩”效应和声源远离时的“拉长”效应的话，那么就几乎能理解新的宇宙理论了。另一种直接分析声音多普勒效应的办法是：设法描绘出声波的起伏状态，观察在声源接近时这些起伏的被压缩和伴随的频率变高、声调也变高，以及声源远离时这些起伏的被拉长和伴随的频率变低、声调也变低。

在这条光谱中，夫琅和费线清晰可辨，它们的结构准确无误地揭示了光源的化学成分。光的多普勒效应。

（上）如果一个星系与地球保持不变的距离，那么它光谱中的夫琅和费线就会处在“标准位置”上。

（中）如果它在远离地球，那么夫琅和费线会呈现红移。

（下）如果它在接近地球，那么夫琅和费线会呈现蓝移。

荷兰的克里斯托弗·比斯-柏洛特完成了验证多普勒效应的一个最著名的实验。他请了一组音乐家坐在火车上，他自己站在车站的月台上，并要求司机加大马力使火车以最大速度从车站飞奔而过，这时音乐家们要不停地演奏同一个音符。这样，他就验证了多普勒效应所预示的在火车接近和远离时的音调变化。

光也是以波的形式传播的——只不过传播速度要比声音快得多。光和声二者都是能量的一种形式。人们都熟悉电灯泡和电炉工作时发光发热的情形，但可能只有为数不多的人了解对声能的某些直接应用，如声呐、声学测深仪等。

人们总是倾向于把光理解为人的眼睛可以看到的那一部分，但实际上可见光只是全部光谱的很小一部分。牛顿让一束光通过三棱镜而得到了光谱，他就把可见光按不同的波长或频率分解开来。位于光谱一端的是红色光，红光的频率低于位于光谱另一端的蓝光。在可见光谱的蓝光部分外面的是频率更高、波长更短的紫外光以及X射线等。在可见光谱的红光部分外面的频率更低、波长更长的依次是红外光、微波、无线电波等。用相片底片可以记录红外光，而无线电波被用来传播广播和电视信号。可见光只不过是整个电磁波谱中一条很窄的谱带。从医院中的X光机到已经进入家庭的微波炉，有多种探测和应用电磁波的方式。

对于希望观测早期宇宙的天文学家来说，电磁波谱的可见光区非常重要。人们对于探测光和热的方法还是很熟悉的，许多人知道用照相底片可以记录X光和红外光。而科学家们还能探测到电磁波谱的其他部分，尽管这些信号可能非常微弱。在发出电磁波的物体温度已经降得很低之后，它所辐射出的能量还是可能被探测到。这就像在已经熄灭的灰烬中人们又看到了一星点的微光。这意味着，天文学家们可以探测到过去曾经有过高温高热，现在经过亿万年之后已经冷却下来的那些事件。这些辐射源中有的距离非常遥远，尽管电磁辐射以光速传播，仍然需要几十亿年才能到达地球。通过考察这些波，人们可以知道在几十亿年前发生过什么事情。对于可见光也是如此，这也就是为什么人们有时候说在望远镜中看到的天体在若干光年之外。用光年来表示恒星或星系的距离，也就是用光在一年中所传播的距离来度量从它们到地球的距离。

虽然多普勒本人已经预见到这种效应会同样适用于声波和光波，但关于光波的多普勒效应的实验却很难在地球环境中进行。因为恒星的距离非常遥远，恒星发出的光到达地球时可能显现出光学多普勒效应。在谈到可见光时，考虑到光速之快，多普勒推断，只能在恒星距离非常远1并且运动非常快的情况下，才有可能观测到这种效应。否则光波的任何被“压缩”或“拉长”的效应将是极其微弱和很难探测到的。恒星几乎是绝无仅有的距离足够远的足以显现多普勒效应的光源——如果它接近或远离我们的速度足够快的话。多普勒专门选择了两颗恒星进行研究，这两颗恒星被天文学家们认为正在相互绕着对方运行。多普勒认为，如果它们果真如此的话，在任意时刻，将有一颗星朝着我们运动，而另一颗星会远离我们运动。2这就有点像在一个正在旋转的陀螺表面上的一条直径的两个端点，在某一时刻如果一个点朝着一个观察者运动的话，而另一个点肯定会远离这个观察者运动。多普勒估计，这两颗星如果真相互围绕对方运行的话，那么将会发现来自这两颗星的光在波长上有一定的差异，这将揭示这两颗星在以何种方式运动。

多普勒小心地让来自这两颗星的光通过三棱镜，仔细地观察了它们光谱中氢和氦的夫琅和费线。他果真发现了重要的差异。两颗星的谱线图样完全相同，但却出现在略微不同的位置上。而且似乎是一个是向光谱蓝端移动了，另一个是向光谱红端移动了。

这种现象恰恰是多普勒所预言过的。来自其中一个光源的光频率提高了，发生了蓝移，这对应着光波的被“压缩”；来自另一个光源的光频率降低了，发生了红移，这对应着光波的被“拉长”。发生蓝移说明光源在朝着我们运动，就像在声学多普勒效应中朝着我们开来的火车；发生红移说明光源在远离我们运动，就像在声学多普勒效应中远离我们而去的火车。换句话说，通过分析来自恒星的光，看一看是发生了蓝移还是红移，就能正确判断恒星的运动方向；而且夫琅和费线发生蓝移或红移的程度越大，光波被“压缩”或“拉长”的程度也就越甚，恒星接近或远离我们的速度也就越高。多普勒先生几乎是在忽然之间就掌握了一种确定夜空中所有光源的运动方向和运动速度的奇方妙法。

半人马座α是由两颗恒星组成的双星系统。经过观测已经确认了二者之间相互环绕的运动。在它们的光谱中发现了周期性的变化，谱线红移和蓝移的变化情况说明了它们交互运动的周期是80年。

于是，天文学家们发现他们有了多普勒频移法这样一种探索宇宙的最新工具，可是另一方面他们也没有认为所有的问题马上要迎刃而解了。当然，多普勒的发现既不会对教会的“科学家”们的神创论给予丝毫鼓励，也不会对牛顿的无限、永恒的宇宙造成任何威胁。多普勒的发现只不过确认了科学家们早已期待的一个结论：恒星是在运动着的。牛顿曾经预言，宇宙中充满了运动着的天体。而自古希腊人在伽利略看见木星周围的卫星之前很久做出他们的观测以来，人们认为大部分运动天体都是在轨道上。然而利用多普勒位移来研究星光，就像伽利略的观测和牛顿的引力理论那样，将对宇宙奥秘的探索产生革命性的影响。到此为止，就缺一个大师式的人物来充分利用这个工具了，而这个人物直到七八十年以后才出现。

1 恒星的距离非常遥远不是显现多普勒效应的必要条件。关键的条件是恒星接近或远离我们的速度足够快。——编者

2 仅当两星组成的双星系统的质心相对于我们为静止时才如此。如果这个质心远离我们或者接近我们，那么两星也可能会同时远离我们或者接近我们，当然也可能一颗星接近我们，另一颗星远离我们。——编者