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为了更多地了解银河系,我们必须研究确定星体运动的方法。当哈
雷发现彗星在运动着的时候,他只能测量它们走过的可视路线(固有运
动)的路程,它们仿佛是在沿天体滑动着。然而,一旦天体不存在了,
而且星星穿过广阔的太空分布在距我们较近或较远处,变得十分明显,
问题就出现了:某一特定的星体是正朝向我们运动,还是背离我们运动
着呢?此运动(相向或背向)被称为径向运动,因为星星被看作在沿着
轮辐(或半径)朝向或背向我们运动着,此轮以地球为中心,远离我们
延伸出去。
我们如何才能探测出这个运动呢?如果一颗星正径直地背向我们或
朝向我们运动,那么它在太空中的位置是不变的。当然,如果它们背离
我们运动,它将在天空中变得越来越暗。如果它稳定地朝向我们运动,
则会变得越来越亮,但是星星离我们那么远,而且相对那巨大的距离而
言移动是那么缓慢,那么星星用几千年而改变的亮度完全可以用精密仪
器探测出来。此外,即使一颗星是以固有运动穿过太空,它也可以是朝
向或背向我们运动以至于它在三维空间中存在着倾斜运动。如何才能观
察到这种运动呢?
此答案是在从地球上观察到的一个现象中被发现的,好像与星星无
关。如果一个骑兵正在军事进攻中冲锋,吹号以鼓舞自己军队的士气而
威吓敌军,当他移向一个静止不动的收听者时,号声好像改变了音高。
当掠过时,声音突然呈现为较低的音高。
这个现象在战争最激烈时没有被发现,但在
1815年,英国工程师乔
治·斯蒂芬森发明了铁道机车,它不是多年前的那种跑起来跟奔马的速
度一样或再快一点的机车。更重要的是,当它们穿过人口稠密的地区时,
通常会发出某种汽笛声来警告人们,所以当机车经过时听到突然降低的
声音就非常普遍了。为什么会发生这种情况?疑问就出现了。
奥地利物理学家克里斯琴·乔安娜·多普勒十分准确地解决了问题,
判定当机车逼近时,每个连续的声音都稍微追上它前面的那个,因此它
们比机车静止时更频繁地传入耳朵。因此,比机车静止时的汽笛声要高。
当机车经过或开始后退时,每个连续声波都被拉离前面那个,那么
就比机车静止时传到耳朵的次数少,所以听起来音高就较低。那么在机
车穿过时声音存在着自然的变化过程,由比正常的高到比正常的低,由
高音到低音。
在
1842年,多普勒解出了速度与音高的数学关系,并通过火车头以
不同的速度来回拖着平板车而成功地验证了这个关系。吹号手在平板车
上吹出各种音调,在地面上,具有绝对音高感的音乐家记录火车经过时
的声音变化。因此,这种音高变化被称为多普勒效应。
到现在,人们发现光也是由波构成的,虽然它的波比声波要小得多。
1848年,法国物理学家阿曼德·希玻利特·费佐指出多普勒效应适用于
任何波的运动,包括光。因此,常常把光运动的方式称为多普勒—费佐
效应。
如果一颗星既不靠近又不远离我们,那么它的光谱中的黑线就保持
在适当的位置。如果星体背向我们运动,它发出的光的波长较长(是较
低音高的等价值),而且黑线总是向光谱中的红光端移动(红向移动)。
移动得越多,背离我们运动的速度越快。
低音高的等价值),而且黑线总是向光谱中的红光端移动(红向移动)。
移动得越多,背离我们运动的速度越快。
如果我们知道径向运动(相向或背向),又知道固有运动(朝一侧),
我们就能计算出星体在三维空间中的真实运动。事实上,径向速度是其
中非常重要的。只有星体离我们足够近而且它穿过天空的运动快得可以
被觉察出来时,固有运动才能被测量,但只有非常小的一部分星体是离
我们那么近的。另一方面,无论星体离我们多远,只有它的光谱是可以
本文标题:什么是多普勒效应?
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