红移辨析.DOC

“红移”辨析 王峰 （南通市启秀中学物理学科 226006 南京师范大学物科院06级硕士 210097） 随着新课程的逐步实施，原属大学课程的部分普通物理在高中物理新教材中有所体现，从无到有，从老教材中的小字阅读过渡到现在的正规的教学内容。多普勒效应作为波的特殊现象在2002年人教版试验教材中成为教学内容，这里第一次出现了“红移”的概念。在高中物理的奥赛题训练中，也出现了“光子离开星体时受到引力作用，频率降低，能量减少”的“红移”概念。在2005年普通高中课程标准实验教科书选修3－4中的相对论一章中也提及可以用“红移”测出“遥远天体相对地球的速度”，以及“引力红移”的基本概念。 限于教材，高中生对红移的具体涵义及产生机理的不甚了解，甚至误解。有鉴于此，笔者总结了现代物理中关于“红移”的部分知识和理论，供同行和读者参考。 多普勒红移（Doppler red-shift）：光源与观测点之间的相对运动引起观测频率的变化， 实质上波的本身没有发生变化（属于视波长红移）。 引力红移（gravitational red-shift）：由于波在远离波源时，受到如星体的引力，而导致光子的能量减小，频率降低（属于能量红移）。 膨胀红移（expansional red-shift）：宇宙（cosmos）的空间与时间的膨胀，导致光子在传播过程中波长会变长，周期变大，频率向红光方向移动（属于能量红移）。 一、能量红移有两种来源： ??? （1）相对速度使场效应减弱??? （2）天文尺度超远距离的场效应减弱（减弱规律尚不清楚，应与路径上的介质相关）对于相对速度引起的能量红移，设相对静止的电荷间的场效应为相对运动的电荷间的场效应为，则有 如果定义红移值为，则有： 这样由于光子（或电磁波）能量减小，导致光子的实际波长发生的变化的现象，我们称之为引力红移。 引力红移，在广义相对论看来是在引力场内时间膨胀的结果。时间膨胀的重要表现之一，是任何周期运动的周期增长，光线也是一种波动，波动的周期增长了，也就是光谱的波长增长了，所以才导致光谱红移。一个人的心脏跳动也是一种周期运动，例如，你在地球上每分种跳动70次，在火星上就会多于70次，因为火星引力比地球小；在木星上就会少于70次，因为木星引力比地球大；在黑洞里就会停止跳动。这都是假定观测者是在地球上。如果你身上有一只从地球带去的表，用这只表记录你的心脏跳动，仍然是70次。爱因斯坦在1911年计算出，从太阳射到地球的光线的相对引力红移变化是2×10-6，这个数值很小，测量起来相当困难。在地面附近高度相差几十米的两点间传播的光线也应产生引力红移。只是这种引力红移的变化更小，只有lO-16的数量级，一般实验手段难以观测到。1958年穆斯堡尔效应的发现提供了精确完成地面上引力红移实验的可能性。??二、多普勒红移（视频率红移）：1842年，奥地利物理学家多普勒发现，声源由近及远或由远及近会导致声波的频率变高或变低。为了理解这一现象，可联想一个旅行者在他的旅途中每一周都定期地发一封家信，当他的旅程是离家而去时。每封信都比前一封信的邮程长一些，因此他的家收到的每两封信相隔的时间将要超过一周，而当他的旅程是向家而来时，每一封信都比前一封信的邮程短一些，于是他的家里不到一周便可收到一封信了。此外，若声源静止而观测者运动，或者声源和观测者都运动，也会发生这种收听频率和声源频率不一致的情况，这种现象称为多普勒效应。具有波动性的光也会出现这种效应。但光与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色变化如果恒星远离我们而去，光的谱线就向红光方向移动，称为运动红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向蓝光方向移动，称为蓝移。不难看出：多普勒红移是光源与观察者间相对运动的结果。星系的红移一般都十分显著，有的甚至达到了难以想象的地步。例如，一个二十亿光年远的星系，离开我们的速度已达到每秒三万公里，这时一些紫外谱线已移到了可见区。而某些可见区的谱线则移到了红外区。目前已观测到的最远星系离我们约一百多亿光年，这样的星系正以与光速相差无几的速度远离我们。为什么所有的星系都在向四下“狂奔”，彼此之间相互远离?哈勃定律发现后不，英国天文学家爱丁顿提出了一个膨胀宇宙的假说。二十世纪三十年代，比利时天文学家勒梅特又进一步提出，现在的宇宙是一个巨大“原始卵”的爆炸而形成的。1948年，美国天文学家伽莫夫发展性提出了“大爆炸宇宙模型”并且逐渐被人们接受。对于对场源相对运动的作用对象，在电磁效应的传播过程中质粒间距离变化，因而与磁效应周期性（由场源对作用对象的相对运动决定）相联系的相对于作用对象的视频率必须计入作用对象间的相对速度影响。相对运动电荷间的电磁作用，视频率为为电荷间相对运动速度的径向分量，相向时取正，相离时取负；为光速）。 上述由于