| 本文为看一本有关宇宙起源的书时，想到的一些问题。 比如：天文学家怎么知道遥远星系的光发生了“红移”？ 现代天文学关于宇宙起源的理论是"大爆炸"。支持的证据之一是：观察到遥远的星系都是远离我们而去。 我在一般的科普书中看到的都是这一个结论：天文学家发现宇宙的“红移”，哈勃研究这些红移现象得出了“哈勃定律”。具体这个结论怎么得到的，书中没有说。 解释这种红移现象的理论是：只有星系远离的情况下，才会发生红移。类比的现象就是：多普勒效应，当声源向听者移动时，听者听到的声音频率要比真实的声音频率来得高。如果远离就比真实的频率来得低。具体的应用就是警察在公路边上放置的测速雷达。  video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2455298560196984833 多普勒效应动画 一般化的多普勒公式：  f 为发射源于该介质中的原始发射频率 Vs为发射源相对于介质的移动速度，若接近观察者则前方运算符号为−号，反之则为+号。 V 为波在该介质中的行进速度；【雷达测试速时，决定这个参数的空气，是一个定值，已知。】 Vo为观察者相对于介质的移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号，反之则为−号；【人在原地，则此项为0】 多普勒效应很好理解，它发生在我们身边，且可以验证。我用一个知道频率的移动声源做试验，我们站在原地不动测出接收到的声音的频率。二者对比有了差异，且每次都不会有错。这个理论就成立（它有可以被证伪的方法，虽然没有一次被证伪过）。这里面有三个要素，知道任意二个就可以求得第三个：1，声源的频率；2，声源的移动速度；3，我们观察到的声源频率。 测速雷达通过自己发射一束波，然后接收从汽车反射回来的波。这二者的频率是可以知道的。然后就可以知道汽车的速度了。  天鹅周围水流的多普勒效应 但转到宇宙的红移现象，就有问题了，我们在地球上收集到从遥远星系发过来的光，光的原始频率“不知道”，遥远星系的移动速度“不知道”，这里面有二个“未知量”。但天文学家们们说：我们看到宇宙的光发生了红移。 天文学家是如何得出“红移”的结论呢？ 解释这个问题，就要涉及到量子理论方面的知识。 普通的太阳光，我们看到的是“白色”的，通过“三棱镜”折射后，就会出现“七彩”色光。  如果进一步对这个彩色的光谱分析，就会发现这些谱线上有一道道的“黑线”。  太阳光的谱线 这些“黑线”表示那个频率的“光”没有了。原因是： 太阳光的光谱本来是连续的，但太阳内部的化学元素的电子（比如氢）会吸收到特定频率的“光”从而将自己电子从某一低能态跃迁到高能态。表现在光谱线上，就是我们现在看到的黑线。通过查看这种特征谱线，我们就可以知道发光体内的化学元素组成，比如我们通过分析太阳光的光谱，知道了太阳主要是由氢等构成的，太阳光光谱中还有氘，氚，氦的特征谱线，我们认为太阳内部发生核聚变。 同样地，从遥远星系发射出来的光，到达地球时，用“光谱分析仪”分析它的光谱，也会呈现类似的太阳光的效果，即也有一道道的黑线。它们与太阳光谱的区别是，这些黑线在光谱中的相对位置/顺序和太阳光光谱上的黑线是一样的，只是所有的黑线向红线方向发生了一个整体的偏移。这个偏移值，就是频率变化的值。从而可以知道“观察到的频率值”f'。由此我们说：我们看到的遥远星系的光发生了“红移”现象。 有红移，就会有“蓝移”，但观察到发生蓝移的星系很少很少很少很少，比如仙女座星系正在向銀河系移動。  右侧为遥远的星系在可见光波段的光谱，与图左侧太阳的光谱比较，可以看见谱线朝红色的方向移动，即波长增加（频率降低） 哈勃研究红移时有了新的发现，离我们越远的星，它们光的“红移量”越大，由此判定越远的星系，远离我们的速度越大。这就是哈勃定律（Hubble's law）。  其中，v 是由红移现象测得的星系远离速率，H0是哈勃常数，D是星系与观察者之间的距离。 由哈勃定律得出宇宙正在膨胀！ 以上只是科普文章中对哈勃定律的通俗解释。 专业的解释是：不是星系加速远离我们，而是宇宙空间正在膨胀！光子在通过扩张的空间时被延展，产生了宇宙学红移。这个话题很专业，我也说不明白。 利用哈勃定律，通过测量星光的红移量，就可以估算出星系离我们有多远。 关于太阳光谱线的问题，我有一个疑惑。我们说，太阳光光谱中，那些黑线是由于原子中的电子吸收了这个频率的光，导致了这个特定频率的光在光谱中“消失”了。这个怎么理解呢？如果太阳光谱中各频率的光都是“100份”，要多少氢原子才可以把这些光吃掉，然后我们在谱线上看出是“黑线”？ 不知道我有没有表达清楚我的问题哟。 |
