紅移有不同 差別應(yīng)弄清

華峰

一、問題的提出

當(dāng)一列火車鳴著汽笛迎面駛來時，我們聽到的汽笛聲的聲調(diào)會變高：當(dāng)火車鳴著汽笛遠(yuǎn)離我們時，我們聽到的汽笛聲的聲調(diào)則會變低。這就是多普勒效應(yīng)，是由奧地利科學(xué)家多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)的。醫(yī)學(xué)中測量血管內(nèi)的血液流量計(jì)，就是根據(jù)多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)的。電磁波同樣具有多普勒效應(yīng)，可以測定目標(biāo)的徑向速度，雷達(dá)便是一個最好的例證。

譜線紅移是指天體光譜中某一譜線相對于實(shí)驗(yàn)室光源的比較光譜中同一譜線向紅端的位移。從物理學(xué)的觀點(diǎn)來看，產(chǎn)生紅移的機(jī)制僅有兩種，即多普勒紅移和引力紅移。這是兩種不同的紅移，下面分別予以簡單的介紹。

二、多普勒紅移

1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)，聲源由近及遠(yuǎn)或由遠(yuǎn)及近，都會導(dǎo)致聲波的頻率發(fā)生變化。為了使大家更好地理解這一有趣的現(xiàn)象，大家可聯(lián)想：有一位旅行者在他旅行的途中，每一周都定期向家中發(fā)一封信。當(dāng)他的旅程是離家而去時，由于每封信都會比前一封信的郵程長一些，因而他的家人收到的每兩封信相隔的時間將會超過一周；若他的旅程是向家中而來時，由于每一封信都要比前一封信的郵程短一些，因此他的家人不到一周就可以收到一封信。此外，若聲源靜止而觀測者運(yùn)動，或者聲源和觀測者都運(yùn)動，也會發(fā)生這種收聽頻率與聲源頻率不一致的情況，這種現(xiàn)象即為多普勒效應(yīng)。

具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，但光與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感到的是顏色的變化。如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，光的譜線就向紅光方向移動，此即為運(yùn)動紅移，又叫做多普勒紅移；如果恒星朝著我們運(yùn)動而來，光的譜線就向藍(lán)光方向移動，此即為藍(lán)移。由此不難看出，多普勒紅移是光譜與觀測者之間相對運(yùn)動的結(jié)果。

上世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的漩渦云系發(fā)出的光譜時，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識到了漩渦星云正快速地遠(yuǎn)離地球而去。1929年，美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)在宇宙空間幾乎所有的星系都具有譜線紅移現(xiàn)象。并且存在著星系紅移量與該星系的距離成正比的關(guān)系。這就意味著越遠(yuǎn)的星系正在以越快的速度遠(yuǎn)離我們而去。人們把這種運(yùn)動叫做“星系退行”，星系的退行速度=哈勃常數(shù)×星系的距離，這便是著名的哈勃定律。

星系的紅移一般都比較顯著，有的甚至達(dá)到了難以想象的地步。例如，一個20億光年遠(yuǎn)的星系，離開我們的速度高達(dá)30000 km/s，這時一些紫外譜線已移到了可見區(qū)；而某些可見區(qū)的譜線則移到了紅外區(qū)。

目前，已觀測到的最遠(yuǎn)星系距我們超過100億光年，這樣的星系正以與光速相差無幾的速度遠(yuǎn)離我們。為什么所有的星系都在向向四面八方“狂奔”，彼此之間相互遠(yuǎn)離呢？哈勃定律發(fā)現(xiàn)之后不久，英國天文學(xué)家愛丁頓提出了一個“宇宙膨脹”假說。上個世紀(jì)30年代。比利時天文學(xué)家勒梅特又進(jìn)一步提出，現(xiàn)在的宇宙是一個巨大“原始卵”的爆炸而形成的。1948年，美國天文學(xué)家伽莫夫發(fā)展性地提出了“大爆炸宇宙模型”，這個模型逐漸被人們所接受。

三、引力紅移

光線在引力場中傳播時，它的頻率會發(fā)生變化。當(dāng)光線從引力場強(qiáng)的地方（如太陽附近）傳播到引力場弱的地方（如地球附近）時，其頻率會略有降低，波長稍增，即發(fā)生引力紅移。引力紅移，在廣義相對論看來是在引力場內(nèi)時間膨脹的結(jié)果。時間膨脹的重要表現(xiàn)之一，是任何周期運(yùn)動的周期增長，光線也是一種波動，波動的周期增長了，也就是光譜的波長增長了，所以才導(dǎo)致光譜紅移。

一個人的心臟跳動也是一種周期運(yùn)動，例如，你在地球上每分鐘心跳70次，到火星上則會多于70次，這是因?yàn)榛鹦堑囊Ρ鹊厍虼蟮木壒省Ｈ羰窃诤诙粗校呐K則會停止跳動。這都是假定觀測者在地球上。如果你身上有一只從地球帶上去的手表，用這只手表記錄你的心臟跳動。仍然是70次。愛因斯坦在1911年計(jì)算出，從太陽射到地球的光線的相對引力紅移變化是2×10^-6，這個數(shù)值很小，測量起來非常困難。

白矮星的質(zhì)量大、半徑小。其發(fā)出的光譜的引力紅移效應(yīng)比較顯著。1925年，天文學(xué)家亞當(dāng)斯觀測了一顆白矮星天狼A，測到的引力紅移與廣義相對論的理論基本相符。上個世紀(jì)60-70年代，測到太陽光譜線的引力紅移值與理論值的不確定度已小于5%-7%。

在地面附近高度相差幾十米的兩點(diǎn)間傳播的光線也應(yīng)產(chǎn)生引力紅移，只是這種引力紅移的變化更小，只有10^-15的數(shù)量級，一般實(shí)驗(yàn)手段是無法測到的。1958年穆斯堡爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)提供了精確完成地面引力紅移實(shí)驗(yàn)的可能性。1969年龐德和雷布卡把鈷57發(fā)射的γ射線，從22.6m高的塔頂射向地面的接收器，運(yùn)用穆斯堡爾效應(yīng)測量塔底處的頻率改變量，這實(shí)際上是一個引力藍(lán)移的實(shí)驗(yàn)。他們的實(shí)驗(yàn)相當(dāng)成功，實(shí)驗(yàn)測量值與理論值的不確定度在5%以內(nèi)。

用引力紅移理論，天文學(xué)工作者可以測出天體的質(zhì)量比地球大多少或小多少。例如，同一種光譜的波長在地球上是多長，通過望遠(yuǎn)鏡的分光儀，測出某一天體該譜線的波長是多少，與地球上的加以比較，從兩者的紅移量，就可以分析出地球質(zhì)量與該天體的質(zhì)量之比。這就可以算出該天體的質(zhì)量有多大。

從以上論述可以看出，多普勒紅移與引力紅移是兩種不同的譜線紅移現(xiàn)象，大家一定要弄清楚，千萬不能混為一談。