紅移有不同 差別應弄清

華峰

一、問題的提出

當一列火車鳴著汽笛迎面駛來時，我們聽到的汽笛聲的聲調會變高：當火車鳴著汽笛遠離我們時，我們聽到的汽笛聲的聲調則會變低。這就是多普勒效應，是由奧地利科學家多普勒于1842年發現的。醫學中測量血管內的血液流量計，就是根據多普勒效應設計的。電磁波同樣具有多普勒效應，可以測定目標的徑向速度，雷達便是一個最好的例證。

譜線紅移是指天體光譜中某一譜線相對于實驗室光源的比較光譜中同一譜線向紅端的位移。從物理學的觀點來看，產生紅移的機制僅有兩種，即多普勒紅移和引力紅移。這是兩種不同的紅移，下面分別予以簡單的介紹。

二、多普勒紅移

1842年，奧地利物理學家多普勒發現，聲源由近及遠或由遠及近，都會導致聲波的頻率發生變化。為了使大家更好地理解這一有趣的現象，大家可聯想：有一位旅行者在他旅行的途中，每一周都定期向家中發一封信。當他的旅程是離家而去時，由于每封信都會比前一封信的郵程長一些，因而他的家人收到的每兩封信相隔的時間將會超過一周；若他的旅程是向家中而來時，由于每一封信都要比前一封信的郵程短一些，因此他的家人不到一周就可以收到一封信。此外，若聲源靜止而觀測者運動，或者聲源和觀測者都運動，也會發生這種收聽頻率與聲源頻率不一致的情況，這種現象即為多普勒效應。

具有波動性的光也會出現這種效應，但光與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感到的是顏色的變化。如果恒星遠離我們而去，光的譜線就向紅光方向移動，此即為運動紅移，又叫做多普勒紅移；如果恒星朝著我們運動而來，光的譜線就向藍光方向移動，此即為藍移。由此不難看出，多普勒紅移是光譜與觀測者之間相對運動的結果。

上世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的漩渦云系發出的光譜時，首先發現了光譜的紅移，認識到了漩渦星云正快速地遠離地球而去。1929年，美國天文學家哈勃發現在宇宙空間幾乎所有的星系都具有譜線紅移現象。并且存在著星系紅移量與該星系的距離成正比的關系。這就意味著越遠的星系正在以越快的速度遠離我們而去。人們把這種運動叫做“星系退行”，星系的退行速度=哈勃常數×星系的距離，這便是著名的哈勃定律。

星系的紅移一般都比較顯著，有的甚至達到了難以想象的地步。例如，一個20億光年遠的星系，離開我們的速度高達30000 km/s，這時一些紫外譜線已移到了可見區；而某些可見區的譜線則移到了紅外區。

目前，已觀測到的最遠星系距我們超過100億光年，這樣的星系正以與光速相差無幾的速度遠離我們。為什么所有的星系都在向向四面八方“狂奔”，彼此之間相互遠離呢？哈勃定律發現之后不久，英國天文學家愛丁頓提出了一個“宇宙膨脹”假說。上個世紀30年代。比利時天文學家勒梅特又進一步提出，現在的宇宙是一個巨大“原始卵”的爆炸而形成的。1948年，美國天文學家伽莫夫發展性地提出了“大爆炸宇宙模型”，這個模型逐漸被人們所接受。

三、引力紅移

光線在引力場中傳播時，它的頻率會發生變化。當光線從引力場強的地方（如太陽附近）傳播到引力場弱的地方（如地球附近）時，其頻率會略有降低，波長稍增，即發生引力紅移。引力紅移，在廣義相對論看來是在引力場內時間膨脹的結果。時間膨脹的重要表現之一，是任何周期運動的周期增長，光線也是一種波動，波動的周期增長了，也就是光譜的波長增長了，所以才導致光譜紅移。

一個人的心臟跳動也是一種周期運動，例如，你在地球上每分鐘心跳70次，到火星上則會多于70次，這是因為火星的引力比地球大的緣故。若是在黑洞中，心臟則會停止跳動。這都是假定觀測者在地球上。如果你身上有一只從地球帶上去的手表，用這只手表記錄你的心臟跳動。仍然是70次。愛因斯坦在1911年計算出，從太陽射到地球的光線的相對引力紅移變化是2×10^-6，這個數值很小，測量起來非常困難。

白矮星的質量大、半徑小。其發出的光譜的引力紅移效應比較顯著。1925年，天文學家亞當斯觀測了一顆白矮星天狼A，測到的引力紅移與廣義相對論的理論基本相符。上個世紀60-70年代，測到太陽光譜線的引力紅移值與理論值的不確定度已小于5%-7%。

在地面附近高度相差幾十米的兩點間傳播的光線也應產生引力紅移，只是這種引力紅移的變化更小，只有10^-15的數量級，一般實驗手段是無法測到的。1958年穆斯堡爾效應的發現提供了精確完成地面引力紅移實驗的可能性。1969年龐德和雷布卡把鈷57發射的γ射線，從22.6m高的塔頂射向地面的接收器，運用穆斯堡爾效應測量塔底處的頻率改變量，這實際上是一個引力藍移的實驗。他們的實驗相當成功，實驗測量值與理論值的不確定度在5%以內。

用引力紅移理論，天文學工作者可以測出天體的質量比地球大多少或小多少。例如，同一種光譜的波長在地球上是多長，通過望遠鏡的分光儀，測出某一天體該譜線的波長是多少，與地球上的加以比較，從兩者的紅移量，就可以分析出地球質量與該天體的質量之比。這就可以算出該天體的質量有多大。

從以上論述可以看出，多普勒紅移與引力紅移是兩種不同的譜線紅移現象，大家一定要弄清楚，千萬不能混為一談。