科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第8课：多普勒红移与引力红移】

讲引力红移前必须要搞清楚多普勒红移，搞清多普勒红移前，就必须要搞清多普勒效应。

多普勒效应我们再熟悉不过了，在中学物理上，我们就学到了这个概念。但必须要复习一遍知识点，肯定很多人都忘了！

警车抓人时会开启警报，这种声音响彻云霄。当我们看到警车开道时，还总伴随着听到时而尖锐，时而沉闷的鸣笛声。

为什么会出现这种情况呢？在物理学上解释就是机械波的多普勒效应。

警车鸣笛产生的振动会在空气中以机械波的形式传播开来。如果警车靠近我们，我们听到的鸣笛声就会尖锐，如果警车远离我们而去，则此时我们听到的声音就会沉闷。

我们知道，频率高的声波，音调高，耳朵听起来就尖锐。频率低的声波，音调低，听起来就会沉闷。

当警车靠近我们时，声波的频率就会升高，远离时频率就会降低。

但很多人并不知道其中的缘由。其实振动源原地不动时，声波就会像水波一样传递开来，如果振动源沿着声波的x方向运动，那么x方向的声波就会臃肿起来，导致声波之间的波峰挨得更近，其波长降低，频率增加。就比如，用木棍沿着水面划动，那沿着划动方向的水波就会比之前更加密集。

那如果警车不动，而是我们朝着警车的方向运动，还会出现多普勒效应吗？

答案是依旧的，这时候我们听到的鸣笛频率依旧会变大。虽然两种情况都会产生多普勒效应，但发生的机制并不一样。

观察者不动，波源靠近观察者，导致观察者听到的声波频率增加是因为：波源在运动过程中导致声波本身的频率增加了。

而波源不动，观察者靠近波源听到的声波频率增加是因为：人的耳朵在单位时间内接收到的波峰数量增加了，一时间波峰数量的激增会让人耳误以为听到了的声波频率增加了。其实这种情况下，波源本身的频率没有改变。

我用一个不太恰当的事例通俗解释一遍

现在有一辆车，还有一群相隔同等距离的人站成一排。

这群人就相当声波，车辆相当于观察者。

如果我要让这辆汽车单位时间内撞到的人最多，就有三种办法。

第一种：车不动，人们排成一排主动往车上撞。而且后面的人还挤前面的人，导致人和人之间的距离越来越小，越靠近车的人越拥挤，那么汽车单位时间内撞的人就越多。

第二种：人不动，车开起来，撞这一排人。车开得越快，单位时间内撞到的人越多。

第三种：车和人都运动起来。

单位时间内撞到的人数就相当声波的频率。

所以第一种情况，声波本身的频率改变了。而第二种情况，声波本身频率没有改变，而是接受者感受到的声波频率增加了。

同样的道理也适用于光。在宇宙中，发出光源的恒星远离我们时，其光的频率降低，波长增加，在电磁波波谱上看就是靠近红端移动，这就是光的红移。反之就是靠近蓝端移动，简称蓝移。

电磁波谱

我们可以根据光的多普勒红移计算这个天体远行我们的速度。而有时候天体远离我们是由于宇宙膨胀导致的，我们也可以据此计算宇宙膨胀速率，这是光的多普勒效应。但是光的多普勒效应和普通的多普勒效应并不一样。由于光速不变原理，光的多普勒效应只会相应地改变波长和频率，其速度不会改变。

光还有一种多普勒效应，但不是由于波源与观察者相对移动导致的，而是由于引力场的存在导致的。

我们都知道光线在靠近强引力场的时候会弯曲，比如经过太阳周围的光线就是弯曲的。广义相对论就是根据太阳背后天体发出的光线靠近太阳时而弯曲的现象首次被证实的。

引力红移是指，光线远离引力场时会发生频率降低，波长增加的现象，在光谱上看就是靠红光端移动。

引力红移

不同引力理论对引力红移有不同的解释，有人认为这是引力对光的拖拽效应。光线远离引力场，由于引力拖拽效应并不显著，导致光的频率降低，波长增加，所以就会发生红移。

还有一种解释是，在强引力场周围的时空弯曲异常严重，导致时间流逝变慢。远离强引力场的光线其时间体系相较于观察者本身比较慢，导致观察到的光谱也就低，这才导致了红移。