紅移
紅移
紅移(紅移)
紅移在物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域，指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現(xiàn)象，在可見光波段，表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅端移動(dòng)了一段距離，即波長變長、頻率降低。紅移的現(xiàn)象目前多用于天體的移動(dòng)及規(guī)律的預(yù)測(cè)上。紅移最初是在人們熟悉的可見光波段發(fā)現(xiàn)的，隨著對(duì)電磁波譜各個(gè)波段的了解逐步深入，任何電磁輻射的波長增加都可以稱為紅移。對(duì)于波長較短的γ射線、X-射線和紫外線等波段，波長變長確實(shí)是波譜向紅光移動(dòng)，“紅移”的命名并無問題；而對(duì)于波長較長的紅外線、微波和無線電波等波段，盡管波長增加實(shí)際上是遠(yuǎn)離紅光波段，這種現(xiàn)象還是被稱為“紅移”。當(dāng)光源遠(yuǎn)離觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者觀察到的電磁波譜會(huì)發(fā)生紅移，這類似于聲波因?yàn)槎嗥绽招?yīng)造成的頻率變化。這樣的紅移現(xiàn)象在日常生活中有很多應(yīng)用，例如多普勒雷達(dá)、雷達(dá)槍[1]，在分光學(xué)上，人們使用多普勒紅移測(cè)量天體的運(yùn)動(dòng)[2]。這種多普勒紅移的現(xiàn)象最早是在19世紀(jì)所預(yù)測(cè)并觀察到的，當(dāng)時(shí)的部分科...
目錄 類別 區(qū)別 發(fā)展歷程 機(jī)制原理 收縮展開 類別紅移有3種：多普勒紅移（由于輻射源在固定的空間中遠(yuǎn)離我們所造成的）、引力紅移（由于光子擺脫引力場(chǎng)向外輻射所造成的）和宇宙學(xué)紅移（由于宇宙空間自身的膨脹所造成的）。對(duì)于不同的研究對(duì)象，牽涉到不同的紅移。
多普勒紅移
1.由于多普勒效應(yīng)，從離開我們而去的恒星發(fā)出的光線的光譜向紅光光譜方向移動(dòng)。 2.一個(gè)天體的光譜向長波（紅）端的位移。天體的光或者其它電磁輻射可能由于運(yùn)動(dòng)、引力效應(yīng)等被拉伸而使波長變長。因?yàn)榧t光的波長比藍(lán)光的長，所以這種拉伸對(duì)光學(xué)波段光譜特征的影響是將它們移向光譜的紅端，于是這些過程被稱為紅移。 3.在高光譜遙感領(lǐng)域的紅移。在植被的光譜曲線中，遭脅迫的植物的紅-紅外透射曲線向更短波長方向移動(dòng)（Cibula和Carter， 1992）的現(xiàn)象稱為“紅端偏移”簡稱“紅移” 簡單的說，就是700納米波長范圍的拐點(diǎn)向短波方向移動(dòng)（如右圖曲線）。
引力紅移
引力紅移，是強(qiáng)引力場(chǎng)中天體發(fā)射的電磁波波長變長的現(xiàn)象。由廣義相對(duì)論可推知，當(dāng)從遠(yuǎn)離引力場(chǎng)的地方觀測(cè)時(shí)，處在引力場(chǎng)中的輻射源發(fā)射出來的譜線，其波長會(huì)變長一些，也就是紅移。只有在引力場(chǎng)特別強(qiáng)的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測(cè)出來。引力紅移現(xiàn)象首先在引力場(chǎng)很強(qiáng)的白矮星（因?yàn)榘装潜砻娴囊^強(qiáng)）上檢測(cè)出來。二十世紀(jì)六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量由地面上高度相差22.6米的兩點(diǎn)之間引力勢(shì)的微小差別所造成的譜線頻率的移動(dòng)，定量地驗(yàn)證了引力紅移。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值完全符合！
區(qū)別多普勒紅移
物體和觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致紅移，與此相對(duì)應(yīng)的紅移稱為多普勒紅移，是由多普勒效應(yīng)引起的。 通常引力紅移都比較小，只有在中子星或者黑洞周圍這一效應(yīng)才會(huì)比較大。對(duì)于遙遠(yuǎn)的星系來說，宇宙學(xué)紅移是很容易區(qū)別的，但是在星系隨著空間膨脹遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，由于其自身的運(yùn)動(dòng)，在宇宙學(xué)紅移中也會(huì)參雜進(jìn)多普勒紅移。
引力紅移
根據(jù)廣義相對(duì)論，光從重力場(chǎng)中發(fā)射出來時(shí)也會(huì)發(fā)生紅移的現(xiàn)象。這種紅移稱為重力紅移。 一般說來，為了從其他紅移中區(qū)別引力紅移，你可以將這個(gè)天體的大小與這個(gè)天體質(zhì)量相同的黑洞的大小進(jìn)行比較。類似星云和星系這樣的天體，它們的半徑是相同質(zhì)量黑洞半徑的千億倍，因此其紅移的'量級(jí)也大約是靜止頻率的千億分之一。對(duì)于普通的恒星而言，它們的半徑是同質(zhì)量黑洞半徑的十萬倍左右，這已經(jīng)接近光譜觀測(cè)分辨率的極限了。中子星和白矮星的半徑大約是同質(zhì)量黑洞半徑的10和3000倍，其引力紅移的量級(jí)可以達(dá)到靜止波長的1/10和1/1000。
宇宙學(xué)紅移
20世紀(jì)初，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)到的絕大多數(shù)星系的光譜線存在紅移現(xiàn)象。這是由于宇宙空間在膨脹，使天體發(fā)出的光波被拉長，譜線因此“變紅”，這稱為宇宙學(xué)紅移，并由此得到哈勃定律。20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)了一類具有極高紅移值的天體——類星體，成為近代天文學(xué)中非�；钴S的研究領(lǐng)域。 宇宙學(xué)紅移在100個(gè)百萬秒差距的尺度上是非常明顯的。但是對(duì)于比較近的星系，由于星系本身在星系團(tuán)中的運(yùn)動(dòng)所造成的多普勒紅移和宇宙學(xué)紅移的量級(jí)差不多，你必須仔細(xì)的別開這兩者。通常星系在星系團(tuán)中的速度為3000km/s，這大約與在5個(gè)百萬秒差距處的星系的退行速度相當(dāng)。 紅移公式為 e^z=v/c（z+1）+1 其中：e 為自然對(duì)數(shù)底數(shù) z 為紅移 c 為光速 v 為宇宙間的星體退行速度
發(fā)展歷程這個(gè)主題的發(fā)展開始于19世紀(jì)對(duì)波動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的探索，因而連結(jié)到了多普勒效應(yīng)。 稍后，因?yàn)榭死锼骨佟ぐ驳铝摇ざ嗥绽赵?842年對(duì)這種現(xiàn)象提出了物理學(xué)上的解釋，而被稱為多普勒效應(yīng)。他的假說在1845年被荷蘭的科學(xué)家ChristophHendrikDiederikBuysBallot用聲波做實(shí)驗(yàn)而獲得證實(shí)。多普勒預(yù)言這種現(xiàn)象可以應(yīng)用在所有的波上，并且指出恒星的顏色不同可能是由于它們相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度不同而引起的。后來這個(gè)推論被否認(rèn)。恒星呈現(xiàn)不同的顏色是因?yàn)闇囟炔煌�，而不是運(yùn)動(dòng)速度不同。 多普勒紅移是法國物理學(xué)家斐索在1848年首先發(fā)現(xiàn)的，他指出恒星譜線位置的移動(dòng)是由于多普勒效應(yīng)，因此也稱為“多普勒-斐索效應(yīng)”。1868年，英國天文學(xué)家威廉·哈金斯首次測(cè)出了恒星相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度。 在1871年，利用太陽的自轉(zhuǎn)測(cè)出在可見光太陽光譜的夫朗和斐譜線在紅光有0.1Å的位移。在1901年，AristarkhBelopolsky在實(shí)驗(yàn)室中利用轉(zhuǎn)動(dòng)的鏡片證明了可見光的紅移。 在1912年開始的觀測(cè)，VestoSlipher發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的螺旋星云都有不可忽視的紅移。然后，哈勃定律。這些觀察在今天被認(rèn)為是造成宇宙膨脹大霹靂理論的強(qiáng)而有力證據(jù)。
機(jī)制原理一個(gè)光子在真空中傳播可以有幾種不同的紅移機(jī)制，每一種機(jī)制都能產(chǎn)生類似多普勒紅移的現(xiàn)象，意謂著z是與波長無關(guān)的。這些機(jī)制分別使用伽利略、洛倫茲、或相對(duì)論轉(zhuǎn)換在各個(gè)參考架構(gòu)之間來比較。 紅移型式 轉(zhuǎn)換的架構(gòu) 所在度規(guī) 多普勒紅移 伽利略轉(zhuǎn)換 歐幾里得度規(guī) 相對(duì)論的多普勒 洛倫茲轉(zhuǎn)換 閔可夫斯基度規(guī) 宇宙論的紅移 廣義相對(duì)論轉(zhuǎn)換 FRW度規(guī) 重力紅移 廣義相對(duì)論轉(zhuǎn)換 史瓦西度規(guī)
多普勒效應(yīng)
如果一個(gè)光源是遠(yuǎn)離觀測(cè)者而去，那么會(huì)發(fā)生紅移(z>0)，當(dāng)然，如果光源是朝向觀測(cè)者移動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移（z<0）。這對(duì)所有的電磁波都適用，而且可以用多普勒效應(yīng)解釋。當(dāng)然的結(jié)果是，這種形式的紅移被稱為多普勒紅移。 相對(duì)論的多普勒效應(yīng)更完整的多普勒紅移需要考慮相對(duì)論的效應(yīng)，特別是在速度接近光速的情況下。簡單的說，物體的運(yùn)動(dòng)接近光速時(shí)需要將狹義相對(duì)論介紹的時(shí)間擴(kuò)張因素羅倫茲轉(zhuǎn)換因子γ引入古典的多普勒公式中，改正后的形式如下： 這種現(xiàn)象最早是在1938年赫伯特E艾凡斯和GR.史迪威進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中被觀察到的，稱為艾凡斯-史迪威實(shí)驗(yàn)。 由于羅倫茲因子只與速度的量值有關(guān)，這使得紅移與相對(duì)論的相關(guān)只獨(dú)立的與來源的運(yùn)動(dòng)取向有關(guān)。在對(duì)照時(shí)，古典這一部分的形式只與來源的運(yùn)動(dòng)投影在視線方向上的分量有關(guān)，因此在不同的方向上會(huì)得到不同的結(jié)果。同樣的，一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向與觀測(cè)者之間有θ的角度（正對(duì)著觀測(cè)者時(shí)角度為0），完整的相對(duì)論的多普勒效應(yīng)形式為： 而正對(duì)著觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)物體（θ=0°），公式可以簡化為： 在特殊的狀況下，運(yùn)動(dòng)源與測(cè)器成直角（θ=90°），相對(duì)性的紅移為橫向紅移，被測(cè)量到的紅移，會(huì)使觀測(cè)者認(rèn)為物體沒有移動(dòng)。即時(shí)來源是朝向觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，如果有橫向的分量，那么在這個(gè)方向上的速度可以擴(kuò)張到抵消預(yù)期中的藍(lán)移，而且如果速度更高的還會(huì)使接近的來源呈現(xiàn)紅移。
膨脹的宇宙
在20世紀(jì)初期，史立佛、哈勃和其他人，首度測(cè)量到銀河系之外星系的紅移和藍(lán)移，它們起初很單純的解釋是多普勒效應(yīng)造成的紅移和藍(lán)移，但是稍后哈柏發(fā)現(xiàn)距離和紅移之間有著粗略的關(guān)聯(lián)性，距離越遠(yuǎn)紅移的量也越大。理論學(xué)者幾乎立刻意識(shí)到這些觀察到的紅移可以用另一個(gè)不同的機(jī)制來解釋，哈柏定律就是紅移和距離之間交互作用的關(guān)聯(lián)性，需要使用廣義相對(duì)論空間尺度擴(kuò)張的宇宙論模型來解釋。結(jié)果是，光子在通過擴(kuò)張的空間時(shí)被延展，產(chǎn)生了宇宙學(xué)紅移。這與多普勒效應(yīng)所描述的因速度增加所產(chǎn)生的紅移不同（這是羅倫茲轉(zhuǎn)換），在光源和觀測(cè)者之間不是因?yàn)閯?dòng)量和能量的轉(zhuǎn)換，取代的是光子因?yàn)榻?jīng)過膨脹的空間使波長增加而紅移。這種效應(yīng)在現(xiàn)代的宇宙論模型中被解釋為可以觀測(cè)到與時(shí)間相關(guān)聯(lián)的宇宙尺度因次（a），如下的形式： 這種型態(tài)的紅移稱為宇宙學(xué)紅移或哈勃紅移。如果宇宙是收縮而不是膨脹，我們將觀測(cè)到星系以相同比例的藍(lán)移取代紅移。這些星系不是以實(shí)際的速度遠(yuǎn)離觀測(cè)者而去，取代的是在其間的空間延展，這造成了大尺度下宇宙論原則所需要的各向同性的現(xiàn)象。在宇宙學(xué)紅移z<0.1的情況下，時(shí)空擴(kuò)展的作用對(duì)星系所造成的獨(dú)特效應(yīng)與被觀察到的紅移，相對(duì)于多普勒效應(yīng)的紅移和藍(lán)移是極微小的。實(shí)際的速度和空間膨脹的之間的區(qū)別在膨脹的橡皮板宇宙有清楚的說明，一般的宇宙學(xué)也曾經(jīng)描述過類似的空間擴(kuò)展。如果以滾珠軸承來代表兩個(gè)物體，以有彈性的橡皮墊代表時(shí)空，多普勒效應(yīng)是軸承橫越過橡皮墊產(chǎn)生的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)，宇宙學(xué)紅移則是橡皮墊向下沉陷的柱狀體的沉陷量。（很明顯的在模型上會(huì)有維度的問題，當(dāng)軸承滾動(dòng)時(shí)應(yīng)該是在橡皮墊上，而如果兩個(gè)物體的距離夠遠(yuǎn)時(shí)宇宙學(xué)紅移的速度會(huì)大于多普勒效應(yīng)的速度。） 盡管速度是由分別由多普勒紅移和宇宙學(xué)紅移共同造成的，天文學(xué)家（特別是專業(yè)的）有時(shí)會(huì)以“退行速度”來取代在膨脹宇宙中遙遠(yuǎn)的星系的紅移，即使很明顯的只是視覺上的退行。影響所及，在大眾化的講述中經(jīng)常會(huì)以“多普勒紅移”而不是“宇宙學(xué)紅移”來描述受到時(shí)空擴(kuò)張影響下的星系運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)注意到在使用相對(duì)論的場(chǎng)合下計(jì)算的“宇宙學(xué)退行速度”不會(huì)與多普勒效應(yīng)的速度相同。明確的說，多普勒紅移只適用于狹義相對(duì)論，因此v>c是不可能的；而相對(duì)的，在宇宙學(xué)紅移中v>c是可能的，因?yàn)榭臻g會(huì)使物體（例如，從地球觀察類星體）遠(yuǎn)離的速度超過光速。更精確的，“遙遠(yuǎn)的星系退行”的觀點(diǎn)和“空間在星系之間擴(kuò)展”的觀點(diǎn)可以通過坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換來連系。要精確的表達(dá)必須要使用數(shù)學(xué)的羅伯遜-沃克度量。
重力紅移
在廣義相對(duì)論的理論中，重力會(huì)造成時(shí)間的膨脹，這就是所謂的重力紅移或是愛因斯坦位移。這個(gè)作用的理論推導(dǎo)從愛因斯坦方程式的施瓦氏解，以一顆光子在不帶電、不轉(zhuǎn)動(dòng)、球?qū)ΨQ質(zhì)量的重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的紅移： 此處 ·G是重力常數(shù)， ·M是創(chuàng)造出重力場(chǎng)的質(zhì)量， ·r是觀測(cè)者的徑向坐標(biāo)（這類似于傳統(tǒng)中由中心至觀測(cè)者的距離，但實(shí)際是施瓦氏坐標(biāo)） ·c是光速。 重力紅移的結(jié)果可以從狹義相對(duì)論和等效原理導(dǎo)出，并不需要完整的廣義相對(duì)論。 在地球上這種效應(yīng)非常小，但是經(jīng)由莫士包耳效應(yīng)依然可以測(cè)量出來，并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到驗(yàn)證。然而，在黑洞附近就很顯著，當(dāng)一個(gè)物體接近事件視界時(shí)，紅移將變成無限大，他也是在宇宙微波背景輻射中造成大角度尺度溫度擾動(dòng)的主要角色。
成因新解
對(duì)紅移現(xiàn)象的公認(rèn)解釋為：速度造成紅移，當(dāng)一列火車向我們奔馳而來時(shí)，它的汽笛聲尖銳刺耳，因?yàn)榛疖嚨母咚龠\(yùn)動(dòng)使聲波波長被壓縮，能量密度增加。相反，當(dāng)火車離開我們飛馳而去時(shí)，它的汽笛聲則低沉幽緩，簡稱多普勒效應(yīng)，光波的紅移道理類同。 把光波的紅移和聲波的多普勒效應(yīng)等同看待無疑是一種“以太”依賴癥，潛意識(shí)里還是把光波視為依靠某種介質(zhì)傳播，就像聲波傳播依靠空氣、水等一樣。 造成紅移現(xiàn)象的本質(zhì)原因是“重力場(chǎng)差”，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的確能夠引起紅移或藍(lán)移，但相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度只是產(chǎn)生“重力場(chǎng)差”的一種情形。 天文觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，紅移現(xiàn)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于藍(lán)移，這似乎與大爆炸理論能夠聯(lián)系起來，但如果大爆炸理論成立，宇宙怎么會(huì)在大范圍上密度均勻呢？而且，近100多億年宇宙史（也許更長），暗能量早就應(yīng)該煙消云散了，怎么還依然存在并驅(qū)動(dòng)星系外移？如果說它還沒有消散完全，那么如此強(qiáng)大的能量，宇宙當(dāng)初為什么能夠聚攏成一點(diǎn)呢？ 天體的紅移現(xiàn)象多不是由于速度引起的，而是直接的“重力場(chǎng)差”造成的，需要特別說明的是這里用“重力場(chǎng)差”而不是重力場(chǎng)，原因在于它造成紅移是雙向的，如地球上能夠測(cè)到太陽光線的紅移，從太陽上測(cè)量來自地球的光線，也會(huì)發(fā)現(xiàn)紅移。太陽和地球之間的重力場(chǎng)的場(chǎng)差造成了它們之間的光線紅移。同理，行星之間由于存在重力場(chǎng)差，也會(huì)互相產(chǎn)生紅移。 客觀實(shí)際存在各種復(fù)雜情況，以下分別論述： 1.從金星向地球方向發(fā)射一枚火箭，使之成為圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的“行星”，如果這枚火箭不能超越地球的公轉(zhuǎn)軌道，那么，盡管火箭是朝向地球運(yùn)動(dòng)的，火箭發(fā)出的光從地球上測(cè)量仍然會(huì)產(chǎn)生紅移，紅移大小取決于火箭最終形成的公轉(zhuǎn)軌道與地球公轉(zhuǎn)軌道的重力場(chǎng)差。如果增大火箭的能量，使其軌道位于地球和火星之間，那么，在火箭掠過地球軌道前，火箭發(fā)出的光從地球上測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移，藍(lán)移大小同樣取決于火箭公轉(zhuǎn)軌道與地球公轉(zhuǎn)軌道的重力場(chǎng)差，只是這時(shí)的重力場(chǎng)差為負(fù)值。但，如果火箭掠過了地球軌道，則重力場(chǎng)差變?yōu)檎�，來自火箭的光線又變成紅移。 2.如果從金星發(fā)射的火箭有足夠大的能量，能夠飛出太陽系，這種情況更復(fù)雜一些，首先要把地球和太陽視為一個(gè)整體，把火箭放在銀河系重心形成的重力場(chǎng)里，計(jì)算重力場(chǎng)差產(chǎn)生紅移或是藍(lán)移的大小，然后附加太陽產(chǎn)生的重力場(chǎng)差的紅移效應(yīng)，由于銀河重心產(chǎn)生的重力場(chǎng)差和太陽產(chǎn)生的重力場(chǎng)差在方向上并不會(huì)一致，它們二者是矢量疊加。 宇宙中星體或物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根本原因是它們處在不同的重力場(chǎng)中，這個(gè)重力場(chǎng)不能認(rèn)為是可視空間中的某個(gè)星體引起的，而是整個(gè)宇宙重力場(chǎng)的疊加結(jié)果，也可以認(rèn)為成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體處在不完全相同的空間里，一些理論中描述的那種互相看不見的多維空間是不存在的，各種空間是融合的，一個(gè)處于某種狀態(tài)的質(zhì)點(diǎn)，它只能占據(jù)該空間點(diǎn)的一部分。假設(shè)在某片空曠的宇宙空間里，有兩個(gè)相對(duì)靜止的物體，在不考慮它們之間的重力場(chǎng)差時(shí)，可以認(rèn)為它們處在同一空間。而如果這兩個(gè)物體是處在某個(gè)重力場(chǎng)的不同位置，則它們是處在不完全相同的空間里，假設(shè)此時(shí)有一種魔力將它們突然移到同一處，那么，二者依然是處于不同的空間里（重力場(chǎng)背景里），物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度本質(zhì)上都是由于它們處在不同的空間里而產(chǎn)生的。所以，如果兩個(gè)相對(duì)靜止的物體，給其中一個(gè)突然加速，我們可以把它理解成被加速的物體被突然置于不同的重力場(chǎng)背景中（或者說不同的空間里）。光的紅移現(xiàn)象都是由于光進(jìn)入不同重力場(chǎng)環(huán)境造成的。 天文觀測(cè)到的紅移遠(yuǎn)遠(yuǎn)多余藍(lán)移的原因在于：宇宙中任何星體都可以把自身視為宇宙重心而不動(dòng)，如同黑洞，其它星體圍繞本重心分布和運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)星體觀察整個(gè)宇宙，越是遙遠(yuǎn)的星體，重力場(chǎng)差越大，所以，紅移也越大，直至無限大而無法觀測(cè)到，極其遙遠(yuǎn)的星體發(fā)出的光會(huì)融入空間而化為平靜。
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