因爲科學家發現了光譜譜線的紅移，所以知道了我們這個宇宙並不安靜，不但普通的天體運動能導致紅移出現，還發現了由於宇宙本身的膨脹也能導致此種現象的發生，甚至愛因斯坦還發現了引力場的存在也會導致紅移現象出現。

基爾霍夫和本生等人通過光譜分析法發現了太陽中存在許多化學元素的事實，此後科學家們在此基礎上又取得了其它發現，但歸根結底還是建立在光譜的基礎上所做的研究，那麼我們通過光譜還能發現什麼呢？接下來所講的就是咱們今天這篇文章的主要內容了。

咱們首先從多普勒效應說起

提到這個詞，想必大家都不陌生，中學時期咱們就學過這個物理知識。用一個經常提到的例子來說明這個多普勒效應到底是怎麼一回事：

當我們站在川流不息的馬路邊，會聽到此起彼伏的汽車鳴笛聲，仔細分辨，我們會發現如果一輛小汽車在鳴笛時，恰好從你身旁穿過，那麼它的鳴笛聲經歷一次由低到高再回到低的起伏，這是爲什麼呢？難道是駕駛員故意改裝了喇叭，使得鳴笛聲變的可控嗎？

實際上，在汽車內部的駕駛員，他本身並不會感到鳴笛聲有什麼變化，這是因爲他同波源之間並不存在相對運動。從波動角度來看，馬路邊的觀測者同路上的小汽車具有相對運動的狀態存在，如果波源與觀測者之間是相互靠近，那麼觀測者在單位時間內接收到的完全波的數目就要比靜止狀態多一些，從而表現出頻率的升高（也就是鳴笛聲變的尖銳）；反之，如果兩者相互遠離，那麼頻率就會下降（鳴笛聲變的低沉）。

如果知道波源本身的頻率，再通過測量相對運動時的頻率，那麼就能借此推算出波源的移動速度。

這是聲波的多普勒效應，那麼對於光波是否也有這樣的效應呢？回答是肯定的。那麼我們該如何判斷光波的頻率變化呢？

在之前的文章中，我們有說過可見光與不可見光的區別，那就是表現在波長的不同（也就是頻率的不同）。並且還知道了各種元素在光譜上有着確定的位置，如果我們發現元素在光譜上譜線位置發生了移動，那不就代表着光波的頻率變化嗎？

觀測實驗證實了這一想法，科學家們通過對恆星的光譜和地球上的元素光譜進行分析，發現了恆星的譜線確實發生了位移，那些朝着光譜中低頻區間移動被稱做“紅移”（這表明我們與這顆恆星是在相互遠離）；反之，如果恆星朝向我們運動，那麼就是藍移，但是爲了統一起見，我們利用紅移的正負值來代表光波頻率的升高或者降低（也就是恆星的靠近或者遠離）。

因爲涉及光源與觀測者的相對速度，所以光的多普勒效應需要狹義相對論進行簡單修正一下。但定性來說，只要恆星與觀測值相互遠離，那麼必定會出現紅移，反之也一樣（稱爲藍移，或者是紅移值爲負）。

但宇宙中的所有光譜紅移都是因爲天體的直接運動所導致的嗎？實際上並不是這樣。

下面就來說說著名的宇宙學紅移

略知相對論的讀者都知道，我們的處於四維時空當中，宇宙的空間是具有彈性的。那麼空間的變化是否也能導致光譜位移的出現呢？

確實是這樣，當年哈勃通過對衆多河外星系的觀測發現，它們的光譜幾乎都無一例外的朝着低頻位移（也就是紅移），並且距離越遠的星系，紅移量越多（也即是退行速度越快）。如果單純的認爲這是多普勒效應所導致的結果，那麼這幾乎滿天的星系是什麼原因導吸引它們飛速遠離呢？難道在宇宙的遙遠處有着一圈強大的引力源？這明顯說不過去（至少這樣的宇宙模型是不合理的，各向同性被破壞）

那麼原因到底是什麼呢？沒錯，就是空間自身在膨脹，一個簡單的例子，如果我們在一個寬橡皮帶上畫上一條波浪線，隨後對橡皮帶進行拉伸，很明顯，我們會看到波浪線也跟着變長，重點是它的波長（兩個相鄰波峯或波谷之間的距離）也變長，也就意味着頻率降低了。

那麼這能說明什麼呢？實際上，空間的膨脹就好似這個橡皮帶，由於不停的膨脹，光波在傳播過程中也相應的進行這波長和頻率的上的變化（因爲真空光速是恆定的）。很顯然，這就直接導致了紅移現象的出現。（這輩稱爲宇宙學紅移）

需要注意的是，宇宙學紅移和多普勒紅移在本質上完全是兩碼事，簡單理解：你可以認多普勒效應只是一種“觀測效應”，因爲它與參考系的選取息息相關；但宇宙學紅移則是空間性質所產生的一種現象。

最後再來看看引力紅移

這種紅移最早是愛因斯坦在廣義相對論誕生前，利用等效原理和狹義相對論得到的結論。簡單來說，如果一個光子從地球表面飛向太空，那麼光子的能量將會下降（雖然這一變化值非常小）。

我們都只知道光子的能量和它的頻率成正比，如果能量下降，那麼就意味着頻率下降，也即是產生了紅移。那麼如何通俗的理解這個現象的產生原因呢？

一個簡單的例子，當跳水運動員從高高的跳臺上一躍而下，到最終落水，這中間發什麼那些能量的變換呢？很簡單，重力勢能轉化成了動能。那麼如果有一個光子從太空飛向地球，是否也有能量上的變化呢？

首先，因爲光速恆定，這個光子的速度自然是不會因爲地球引力而加速的，但你可以認爲它在太空時具有引力勢能，而當其達到地表時，引力勢能爲零，那麼這個引力勢能哪去了呢？沒錯，變成光子能量了。

也就是說，當光子朝向一個引力源飛行時，它的能量會上升，頻率升高，產生藍移；反之，在遠離引力源時，就產生紅移。這個過程，可以利用光子所在位置的引力勢的不同來進行一個大概的計算。說到底，這個引力紅移和宇宙學紅移本質是差不多的，都是因爲時空性質的變化而導致的。

總的來說，這三種紅移，宇宙學紅移的影響更大，因爲從哈勃觀測到河外星系遠離這個事實後（提出了著名的哈勃定律），爲後來宇宙大爆炸理論的正式出現，提供了依據。這也是下一篇文章所要講到的內容。

本篇文章的內容到此結束

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