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及規(guī)律的預(yù)測上。紅移最初是在人們熟悉的可見光波段發(fā)現(xiàn)的，隨著對電磁波譜各個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，波長變長確實是波譜向紅光移動，“紅移”的命名并無問題；而對于波長較長的紅外線、微波和無線電波等波段，盡管波長增加實際上是遠離紅光波段，這種現(xiàn)象還是被稱為“紅移”。當光源遠離觀測者運動時，觀測者觀察到的電磁波譜會發(fā)生紅移，這類似于聲波因為多普勒效應(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、雷達槍[1]，在分光學(xué)上，人們使用多普勒紅移測量天體的運動[2]。這種多普勒紅移的現(xiàn)象最早是在19世紀所預(yù)測并觀察到的，當時的部分科...
目錄 類別 區(qū)別 發(fā)展歷程 機制原理 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離我們所造成的）、引力紅移（由于光子擺脫引力場向外輻射所造成的）和宇宙學(xué)紅移（由于宇宙空間自身的膨脹所造成的）。對于不同的研究對象，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。 2.一個天體的光譜向長波（紅）端的位移。天體的光或者其它電磁輻射可能由于運動、引力效應(yīng)等被拉伸而使波長變長。因為紅光的波長比藍光的長，所以這種拉伸對光學(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（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向短波方向移動（如右圖曲線）。
引力紅移
引力紅移，是強引力場中天體發(fā)射的電磁波波長變長的現(xiàn)象。由廣義相對論可推知，當從遠離引力場的地方觀測時，處在引力場中的輻射源發(fā)射出來的譜線，其波長會變長一些，也就是紅移。只有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。引力紅移現(xiàn)象首先在引力場很強的白矮星（因為白矮星表面的引力較強）上檢測出來。二十世紀六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡爾效應(yīng)的實驗方法，測量由地面上高度相差22.6米的兩點之間引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動，定量地驗證了引力紅移。結(jié)果表明實驗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運動可以導(dǎo)致紅移，與此相對應(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)才會比較大。對于遙遠的星系來說，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離我們的時候，由于其自身的運動，在宇宙學(xué)紅移中也會參雜進多普勒紅移。
引力紅移
根據(jù)廣義相對論，光從重力場中發(fā)射出來時也會發(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，你可以將這個天體的大小與這個天體質(zhì)量相同的黑洞的大小進行比較。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'量級也大約是靜止頻率的千億分之一。對于普通的恒星而言，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，其引力紅移的量級可以達到靜止波長的1/10和1/1000。
宇宙學(xué)紅移
20世紀初，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，觀測到的絕大多數(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個百萬秒差距的尺度上是非常明顯的。但是對于比較近的星系，由于星系本身在星系團中的運動所造成的多普勒紅移和宇宙學(xué)紅移的量級差不多，你必須仔細的別開這兩者。通常星系在星系團中的速度為3000km/s，這大約與在5個百萬秒差距處的星系的退行速度相當。 紅移公式為 e^z=v/c（z+1）+1 其中：e 為自然對數(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)展歷程這個主題的發(fā)展開始于19世紀對波動力學(xué)現(xiàn)象的探索，因而連結(jié)到了多普勒效應(yīng)。 稍后，因為克里斯琴·安德烈·多普勒在1842年對這種現(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用聲波做實驗而獲得證實。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于地球的運動速度不同而引起的。后來這個推論被否認。恒星呈現(xiàn)不同的顏色是因為溫度不同，而不是運動速度不同。 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·哈金斯首次測出了恒星相對于地球的運動速度。 在1871年，利用太陽的自轉(zhuǎn)測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在實驗室中利用轉(zhuǎn)動的鏡片證明了可見光的紅移。 在1912年開始的觀測，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為是造成宇宙膨脹大霹靂理論的強而有力證據(jù)。
機制原理一個光子在真空中傳播可以有幾種不同的紅移機制，每一種機制都能產(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。這些機制分別使用伽利略、洛倫茲、或相對論轉(zhuǎn)換在各個參考架構(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 廣義相對論轉(zhuǎn)換 FRW度規(guī) 重力紅移 廣義相對論轉(zhuǎn)換 史瓦西度規(guī)
多普勒效應(yīng)
如果一個光源是遠離觀測者而去，那么會發(fā)生紅移(z>0)，當然，如果光源是朝向觀測者移動，便會產(chǎn)生藍移（z<0）。這對所有的電磁波都適用，而且可以用多普勒效應(yīng)解釋。當然的結(jié)果是，這種形式的紅移被稱為多普勒紅移。 相對論的多普勒效應(yīng)更完整的多普勒紅移需要考慮相對論的效應(yīng)，特別是在速度接近光速的情況下。簡單的說，物體的運動接近光速時需要將狹義相對論介紹的時間擴張因素羅倫茲轉(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.史迪威進行的實驗中被觀察到的，稱為艾凡斯-史迪威實驗。 由于羅倫茲因子只與速度的量值有關(guān)，這使得紅移與相對論的相關(guān)只獨立的與來源的運動取向有關(guān)。在對照時，古典這一部分的形式只與來源的運動投影在視線方向上的分量有關(guān)，因此在不同的方向上會得到不同的結(jié)果。同樣的，一個運動方向與觀測者之間有θ的角度（正對著觀測者時角度為0），完整的相對論的多普勒效應(yīng)形式為： 而正對著觀測者的運動物體（θ=0°），公式可以簡化為： 在特殊的狀況下，運動源與測器成直角（θ=90°），相對性的紅移為橫向紅移，被測量到的紅移，會使觀測者認為物體沒有移動。即時來源是朝向觀測者運動，如果有橫向的分量，那么在這個方向上的速度可以擴張到抵消預(yù)期中的藍移，而且如果速度更高的還會使接近的來源呈現(xiàn)紅移。
膨脹的宇宙
在20世紀初期，史立佛、哈勃和其他人，首度測量到銀河系之外星系的紅移和藍移，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，距離越遠紅移的量也越大。理論學(xué)者幾乎立刻意識到這些觀察到的紅移可以用另一個不同的機制來解釋，哈柏定律就是紅移和距離之間交互作用的關(guān)聯(lián)性，需要使用廣義相對論空間尺度擴張的宇宙論模型來解釋。結(jié)果是，光子在通過擴張的空間時被延展，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），在光源和觀測者之間不是因為動量和能量的轉(zhuǎn)換，取代的是光子因為經(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到與時間相關(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，我們將觀測到星系以相同比例的藍移取代紅移。這些星系不是以實際的速度遠離觀測者而去，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，時空擴展的作用對星系所造成的獨特效應(yīng)與被觀察到的紅移，相對于多普勒效應(yīng)的紅移和藍移是極微小的。實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展。如果以滾珠軸承來代表兩個物體，以有彈性的橡皮墊代表時空，多普勒效應(yīng)是軸承橫越過橡皮墊產(chǎn)生的獨特運動，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有維度的問題，當軸承滾動時應(yīng)該是在橡皮墊上，而如果兩個物體的距離夠遠時宇宙學(xué)紅移的速度會大于多普勒效應(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）有時會以“退行速度”來取代在膨脹宇宙中遙遠的星系的紅移，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)常會以“多普勒紅移”而不是“宇宙學(xué)紅移”來描述受到時空擴張影響下的星系運動，而不會注意到在使用相對論的場合下計算的“宇宙學(xué)退行速度”不會與多普勒效應(yīng)的速度相同。明確的說，多普勒紅移只適用于狹義相對論，因此v>c是不可能的；而相對的，在宇宙學(xué)紅移中v>c是可能的，因為空間會使物體（例如，從地球觀察類星體）遠離的速度超過光速。更精確的，“遙遠的星系退行”的觀點和“空間在星系之間擴展”的觀點可以通過坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換來連系。要精確的表達必須要使用數(shù)學(xué)的羅伯遜-沃克度量。
重力紅移
在廣義相對論的理論中，重力會造成時間的膨脹，這就是所謂的重力紅移或是愛因斯坦位移。這個作用的理論推導(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、球?qū)ΨQ質(zhì)量的重力場運動，產(chǎn)生的紅移： 此處 ·G是重力常數(shù)， ·M是創(chuàng)造出重力場的質(zhì)量， ·r是觀測者的徑向坐標（這類似于傳統(tǒng)中由中心至觀測者的距離，但實際是施瓦氏坐標） ·c是光速。 重力紅移的結(jié)果可以從狹義相對論和等效原理導(dǎo)出，并不需要完整的廣義相對論。 在地球上這種效應(yīng)非常小，但是經(jīng)由莫士包耳效應(yīng)依然可以測量出來，并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到驗證。然而，在黑洞附近就很顯著，當一個物體接近事件視界時，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的主要角色。
成因新解
對紅移現(xiàn)象的公認解釋為：速度造成紅移，當一列火車向我們奔馳而來時，它的汽笛聲尖銳刺耳，因為火車的高速運動使聲波波長被壓縮，能量密度增加。相反，當火車離開我們飛馳而去時，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“重力場差”，相對運動速度的確能夠引起紅移或藍移，但相對運動速度只是產(chǎn)生“重力場差”的一種情形。 天文觀測數(shù)據(jù)表明，紅移現(xiàn)象遠遠多于藍移，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)動星系外移？如果說它還沒有消散完全，那么如此強大的能量，宇宙當初為什么能夠聚攏成一點呢？ 天體的紅移現(xiàn)象多不是由于速度引起的，而是直接的“重力場差”造成的，需要特別說明的是這里用“重力場差”而不是重力場，原因在于它造成紅移是雙向的，如地球上能夠測到太陽光線的紅移，從太陽上測量來自地球的光線，也會發(fā)現(xiàn)紅移。太陽和地球之間的重力場的場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差，也會互相產(chǎn)生紅移。 客觀實際存在各種復(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動的，火箭發(fā)出的光從地球上測量仍然會產(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)出的光從地球上測量就會產(chǎn)生藍移，藍移大小同樣取決于火箭公轉(zhuǎn)軌道與地球公轉(zhuǎn)軌道的重力場差，只是這時的重力場差為負值。但，如果火箭掠過了地球軌道，則重力場差變?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整體，把火箭放在銀河系重心形成的重力場里，計算重力場差產(chǎn)生紅移或是藍移的大小，然后附加太陽產(chǎn)生的重力場差的紅移效應(yīng)，由于銀河重心產(chǎn)生的重力場差和太陽產(chǎn)生的重力場差在方向上并不會一致，它們二者是矢量疊加。 宇宙中星體或物體的相對運動，根本原因是它們處在不同的重力場中，這個重力場不能認為是可視空間中的某個星體引起的，而是整個宇宙重力場的疊加結(jié)果，也可以認為成相對運動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，一個處于某種狀態(tài)的質(zhì)點，它只能占據(jù)該空間點的一部分。假設(shè)在某片空曠的宇宙空間里，有兩個相對靜止的物體，在不考慮它們之間的重力場差時，可以認為它們處在同一空間。而如果這兩個物體是處在某個重力場的不同位置，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（重力場背景里），物體間的相對運動速度本質(zhì)上都是由于它們處在不同的空間里而產(chǎn)生的。所以，如果兩個相對靜止的物體，給其中一個突然加速，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)象都是由于光進入不同重力場環(huán)境造成的。 天文觀測到的紅移遠遠多余藍移的原因在于：宇宙中任何星體都可以把自身視為宇宙重心而不動，如同黑洞，其它星體圍繞本重心分布和運動，從一個星體觀察整個宇宙，越是遙遠的星體，重力場差越大，所以，紅移也越大，直至無限大而無法觀測到，極其遙遠的星體發(fā)出的光會融入空間而化為平靜。
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