科学家讲宇宙的光线（光线的三种红移）

因为科学家发现了光谱谱线的红移，所以知道了我们这个宇宙并不安静，不但普通的天体运动能导致红移出现，还发现了由于宇宙本身的膨胀也能导致此种现象的发生，甚至爱因斯坦还发现了引力场的存在也会导致红移现象出现。

在上一篇文章中（太阳的“身份证”——光的奥秘），我们介绍了基尔霍夫和本生等人通过光谱分析法发现了太阳中存在许多化学元素的事实，此后科学家们在此基础上又取得了其它发现，但归根结底还是建立在光谱的基础上所做的研究，那么我们通过光谱还能发现什么呢？接下来所讲的就是咱们今天这篇文章的主要内容了。

提到这个词，想必大家都不陌生，中学时期咱们就学过这个物理知识。用一个经常提到的例子来说明这个多普勒效应到底是怎么一回事：

当我们站在川流不息的马路边，会听到此起彼伏的汽车鸣笛声，仔细分辨，我们会发现如果一辆小汽车在鸣笛时，恰好从你身旁穿过，那么它的鸣笛声经历一次由低到高再回到低的起伏，这是为什么呢？难道是驾驶员故意改装了喇叭，使得鸣笛声变的可控吗？

实际上，在汽车内部的驾驶员，他本身并不会感到鸣笛声有什么变化，这是因为他同波源之间并不存在相对运动。从波动角度来看，马路边的观测者同路上的小汽车具有相对运动的状态存在，如果波源与观测者之间是相互靠近，那么观测者在单位时间内接收到的完全波的数目就要比静止状态多一些，从而表现出频率的升高（也就是鸣笛声变的尖锐）；反之，如果两者相互远离，那么频率就会下降（鸣笛声变的低沉）。

如果知道波源本身的频率，再通过测量相对运动时的频率，那么就能借此推算出波源的移动速度。

这是声波的多普勒效应，那么对于光波是否也有这样的效应呢？回答是肯定的。那么我们该如何判断光波的频率变化呢？

在之前的文章中，我们有说过可见光与不可见光的区别，那就是表现在波长的不同（也就是频率的不同）。并且还知道了各种元素在光谱上有着确定的位置，如果我们发现元素在光谱上谱线位置发生了移动，那不就代表着光波的频率变化吗？

观测实验证实了这一想法，科学家们通过对恒星的光谱和地球上的元素光谱进行分析，发现了恒星的谱线确实发生了位移，那些朝着光谱中低频区间移动被称做“红移”（这表明我们与这颗恒星是在相互远离）；反之，如果恒星朝向我们运动，那么就是蓝移，但是为了统一起见，我们利用红移的正负值来代表光波频率的升高或者降低（也就是恒星的靠近或者远离）。

因为涉及光源与观测者的相对速度，所以光的多普勒效应需要狭义相对论进行简单修正一下。但定性来说，只要恒星与观测值相互远离，那么必定会出现红移，反之也一样（称为蓝移，或者是红移值为负）。

但宇宙中的所有光谱红移都是因为天体的直接运动所导致的吗？实际上并不是这样。

略知相对论的读者都知道，我们的处于四维时空当中，宇宙的空间是具有弹性的。那么空间的变化是否也能导致光谱位移的出现呢？

爱德文.哈勃

确实是这样，当年哈勃通过对众多河外星系的观测发现，它们的光谱几乎都无一例外的朝着低频位移（也就是红移），并且距离越远的星系，红移量越多（也即是退行速度越快）。如果单纯的认为这是多普勒效应所导致的结果，那么这几乎满天的星系是什么原因导吸引它们飞速远离呢？难道在宇宙的遥远处有着一圈强大的引力源？这明显说不过去（至少这样的宇宙模型是不合理的，各向同性被破坏）

膨胀导致红移

那么原因到底是什么呢？没错，就是空间自身在膨胀，一个简单的例子，如果我们在一个宽橡皮带上画上一条波浪线，随后对橡皮带进行拉伸，很明显，我们会看到波浪线也跟着变长，重点是它的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）也变长，也就意味着频率降低了。

那么这能说明什么呢？实际上，空间的膨胀就好似这个橡皮带，由于不停的膨胀，光波在传播过程中也相应的进行这波长和频率的上的变化（因为真空光速是恒定的）。很显然，这就直接导致了红移现象的出现。（这辈称为宇宙学红移）

需要注意的是，宇宙学红移和多普勒红移在本质上完全是两码事，简单理解：你可以认多普勒效应只是一种“观测效应”，因为它与参考系的选取息息相关；但宇宙学红移则是空间性质所产生的一种现象。

这种红移最早是爱因斯坦在广义相对论诞生前，利用等效原理和狭义相对论得到的结论。简单来说，如果一个光子从地球表面飞向太空，那么光子的能量将会下降（虽然这一变化值非常小）。

我们都只知道光子的能量和它的频率成正比，如果能量下降，那么就意味着频率下降，也即是产生了红移。那么如何通俗的理解这个现象的产生原因呢？

一个简单的例子，当跳水运动员从高高的跳台上一跃而下，到最终落水，这中间发什么那些能量的变换呢？很简单，重力势能转化成了动能。那么如果有一个光子从太空飞向地球，是否也有能量上的变化呢？

首先，因为光速恒定，这个光子的速度自然是不会因为地球引力而加速的，但你可以认为它在太空时具有引力势能，而当其达到地表时，引力势能为零，那么这个引力势能哪去了呢？没错，变成光子能量了。

也就是说，当光子朝向一个引力源飞行时，它的能量会上升，频率升高，产生蓝移；反之，在远离引力源时，就产生红移。这个过程，可以利用光子所在位置的引力势的不同来进行一个大概的计算。说到底，这个引力红移和宇宙学红移本质是差不多的，都是因为时空性质的变化而导致的。

总的来说，这三种红移，宇宙学红移的影响更大，因为从哈勃观测到河外星系远离这个事实后（提出了著名的哈勃定律），为后来宇宙大爆炸理论的正式出现，提供了依据。这也是下一篇文章所要讲到的内容。

大爆炸

本篇文章的内容到此结束

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