多普勒效應(yīng)課外閱讀

多普勒的故事多普勒生于1803年，是薩爾茨堡一名石匠的兒子.父母本來期望他子承父業(yè)，可是他自小體弱多病，無法當(dāng)一名石匠.他們接受了一位數(shù)學(xué)教授的意見，讓多普勒到維也納理工學(xué)院學(xué)習(xí)數(shù)學(xué).多普勒畢業(yè)后又回到薩爾茨堡修讀哲學(xué)課，然后再到維也納大學(xué)學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、天文學(xué)和力學(xué).畢業(yè)后，多普勒留在維也納大學(xué)當(dāng)了四年教授助理，又當(dāng)過工廠的會計員，然后到了布拉格一所技術(shù)中學(xué)任教，同時任布拉格理工學(xué)院的兼職講師.到了1841年，他才正式成為理工學(xué)院的數(shù)學(xué)教授.多普勒是一位嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦蠋?他曾經(jīng)被學(xué)生投訴考試過于嚴(yán)厲而被學(xué)校調(diào)查.繁重的教務(wù)和沉重的壓力使多普勒的健康每況愈下，但他的科學(xué)成就使他聞名于世.1850年，他獲委任為維也納大學(xué)物理學(xué)院的第一任院長，可是他在三年后便辭世，年僅四十九歲.著名的多普勒效應(yīng)首次出現(xiàn)在1842年發(fā)表的一篇論文上.多普勒推導(dǎo)出當(dāng)波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到的波頻會改變.他試圖用這個原理來解釋雙星的顏色變化.雖然多普勒誤將光波當(dāng)作縱波，但多普勒效應(yīng)這個結(jié)論卻是正確的.多普勒效應(yīng)對雙星的顏色只有些微小的影響，在那個時代，根本沒有儀器能夠量度出那些變化.不過，從1845年開始，便有人利用聲波來進(jìn)行實驗.他們讓一些樂手在火車上奏出樂音，請另一些樂手在月臺上寫下火車逐漸接近和離開時聽到的音高.實驗結(jié)果支持多普勒效應(yīng)的存在.多普勒效應(yīng)有很多應(yīng)用，例如天文學(xué)家觀察到遙遠(yuǎn)星體光譜的紅移現(xiàn)象，可以計算出星體與地球的相對速度；警方可用雷達(dá)偵測車速等.多普勒的研究范圍還包括光學(xué)、電磁學(xué)和天文學(xué)，他設(shè)計和改良了很多實驗儀器，例如光學(xué)儀器.多普勒天才橫溢，創(chuàng)意無限，腦里充滿各種新奇的點子.雖然不是每一個構(gòu)想都行得通，但往往為未來的新發(fā)現(xiàn)提供線索.多普勒效應(yīng)不知你是否注意過這樣的現(xiàn)象，當(dāng)一輛汽車響著喇叭從你身邊疾駛而過時，喇叭的音調(diào)會由高變低，好像汽車駛來的時候唱著音符“i”，離開的時候就唱音符“7”了.1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時就注意到了類似的現(xiàn)象，他經(jīng)過認(rèn)真的研究，發(fā)現(xiàn)波源和觀察者互相靠近或者互相遠(yuǎn)離時，觀察到的波的頻率都會發(fā)生變化，并且做出了解釋.人們把這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng).

為了了解多普勒效應(yīng)，可以做這樣一個模擬實驗.讓一隊人沿街行走，觀察者站在街旁不動，每秒有9個人從他身邊通過（下圖上）.這種情況下的“過人頻率”是9人/秒.如果觀察者逆著隊伍行走，每秒和觀察者相遇的人數(shù)增加，也就是頻率增加（下圖中）；反之，如果觀察者順著隊伍行走，頻率降低（下圖下）.對于聲波和其他波動，情況相似：當(dāng)波源和觀察者相對靜止時，1s內(nèi)通過觀察者的波峰（或密部）的數(shù)目是一定的，觀察到的頻率等于波源振動的頻率；當(dāng)波源和觀察者相向運動時，1S內(nèi)通過觀察者的波峰（或密部）的數(shù)目增加，觀察到的頻率增加；反之，當(dāng)波源和觀察者互相遠(yuǎn)離時，觀察到的頻率變小.多普勒效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用.交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度.裝有多普勒測速儀的警車有時就停在公路旁，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在照片上.宇宙中的星球都在不停地運動.測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率，然后跟地球上這些元素靜止時發(fā)光的頻率對照，就可以算出星球靠近或遠(yuǎn)離我們的速度.醫(yī)生向人體內(nèi)發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測出反射波的頻率變化，就能知道血流的速度.這種方法俗稱“彩超”，可以檢查心臟、大腦和眼底血管的病變.多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用多普勒效應(yīng)是指自然界普遍存在的一種效應(yīng)，它是由奧地利科學(xué)家丁.Doppler于1842年最先發(fā)現(xiàn).當(dāng)聲源由遠(yuǎn)而近時聲調(diào)由粗變尖（即聲音的頻率增高，）當(dāng)聲源由近而遠(yuǎn)時，音調(diào)由尖變粗（即聲音頻率降低）.當(dāng)聲源和接受體在連續(xù)的介質(zhì)中，存在相對運動時，接受體所接收到的超聲頻率和聲源發(fā)出的頻率不同，兩者存在著頻率差（頻移）.在臨床上，應(yīng)用多普勒效應(yīng)，近十年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler大批量，當(dāng)聲源或反射界面移動時，所發(fā)射和散射超聲，故可認(rèn)為是微小的聲源，當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時，從其表面散射的聲頻則發(fā)生改變，這種頻率偏移可以批示血流的方向和速度，如紅細(xì)胞朝向探頭時，根據(jù)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細(xì)胞離開探頭時，反射的聲頻則降低.當(dāng)通過心室腔、瓣膜口，或大血管的血流正常時，紅細(xì)胞平行移動，鄰近的紅細(xì)胞血流方向相同且速度相近，由這些移動的紅細(xì)胞所產(chǎn)生的Doppler頻率均為正值或均為負(fù)值，即具有相當(dāng)一致的特性，“音調(diào)”平穩(wěn)，稱之為層流.相反，由于左右分流或瓣膜疾病致使心內(nèi)血流受干擾時，則各個紅細(xì)胞的移動不平行，在受干擾的血流區(qū)，各個紅細(xì)胞以不同方向和不同速度移動，其所產(chǎn)生的Doppler頻移正負(fù)兼有，而且頻移波動范圍很大，出現(xiàn)頻譜較寬、音調(diào)粗糙，稱為湍流.脈沖多普勒用于心臟研究，依賴頻譜顯示.由B型超聲取樣，用M型監(jiān)視取樣容積的位置，以頻顯示脈沖Doppler信號.從頻譜上，可以估計取樣容積內(nèi)血流的血液動力學(xué)的特征：血流方向：以確定分流、返流的方向.時相：由心電圖和M型超聲心動圖來確定取樣容積內(nèi)血流運動的時相關(guān)系.血流性質(zhì)：是層流還是湍流，正常心臟流通暢，為層流.當(dāng)瓣膜病變狹窄或關(guān)閉不全的返流或心內(nèi)分流則為湍流.宇宙的誕生——多普勒效應(yīng)在天文學(xué)上的應(yīng)用太陽的情況是怎樣的呢？放射性及有關(guān)原子核方面的發(fā)現(xiàn)，引出了一個新的能源，比我們以前知道的任何能源都大得多.1903年，英國物理學(xué)家愛丁頓經(jīng)過一系列的思考后提出，太陽中心的溫度和壓力一定非常高：溫度可高達(dá)1500萬度.在這樣的溫度和壓力下，原子核可以進(jìn)行在溫和的地球上無法進(jìn)行的反應(yīng).人們知道，太陽主要是由氫構(gòu)成的.若4個氫核結(jié)合成1個氦原子，這些氫核就會釋放出大量的能量.1938年，德國出生的美國物理學(xué)家貝特提出，在像太陽一類的恒星中心，將氫結(jié)合成氦有兩種可能的方式：一種是直接由氫轉(zhuǎn)換成氦；另一種則以碳原子作為中間媒介.在恒星中，這兩種反應(yīng)都可能發(fā)生；而在我們的太陽中，直接將氫轉(zhuǎn)換成氦似乎是主要的機(jī)制.(愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論中已經(jīng)證明，質(zhì)量和能量是同一事物的兩個不同的方面，可以相互轉(zhuǎn)化；而且還證明，少量的質(zhì)量轉(zhuǎn)化能夠釋放出巨大的能量.)圖：衛(wèi)星拍攝太陽照片太陽輻射能量的速率要求太陽每秒減少420萬噸的質(zhì)量.乍看之下，這個損失似乎大得嚇人，但太陽的總質(zhì)量為22000000000000000000億噸，因此每秒只損失其質(zhì)量的0.0000000000000000002%o.如果太陽真的像科學(xué)家們現(xiàn)在認(rèn)為的那樣已經(jīng)存在了50億年，而且一直按現(xiàn)在的速率輻射能量的話，它也只是損耗了其質(zhì)量的1/33000而已.由此不難看出，在今后的幾十億年內(nèi)，太陽還能繼續(xù)按照目前的速率輻射能量.到了1940年，人們認(rèn)為，整個太陽系的年齡約為50億年看來是合理的.有關(guān)宇宙年齡的全部問題大概可以解決了，但是天文學(xué)家們又陷入了新的困境.現(xiàn)在整個宇宙的年齡顯得太年輕了，因而無法解釋太陽系的年齡.這個麻煩是由天文學(xué)家對遠(yuǎn)星系的探測和奧地利天文學(xué)家多普勒1842年首先發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象引起的.大家都非常熟悉多普勒效應(yīng)，最常見的實例就是火車通過時的汽笛聲：當(dāng)火車接近時笛聲音調(diào)升高；而當(dāng)火車遠(yuǎn)離時音調(diào)降低.音調(diào)的變化就是因為聲源的運動使每秒鐘撞擊在耳膜上的聲波數(shù)目改變了.正如多普勒所指出的，多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，也適用于光波.當(dāng)運動著的光源的光波到達(dá)眼睛時，如果光源移動得夠快的話，頻率會發(fā)生移動，就是說，顏色會發(fā)生改變.譬如說，假若光源向著我們運動，每秒鐘就會有較多的光波擠進(jìn)我們的眼睛，我們所看到的光就會向可見光譜的高頻端（即紫端）偏移；反之，如果光源遠(yuǎn)離我們而去，每秒鐘到達(dá)的光波就較少，于是光就會向可見光譜的低頻端（即紅端）偏移.天文學(xué)家對恒星的光譜進(jìn)行了長期的研究，因此非常熟悉正常的光譜圖.這種光譜圖或是在黑暗背景上的亮線圖樣，或是在明亮背景上的暗線圖樣.亮線或暗線表示原子在某些波長（或顏色）上對光線的發(fā)射或吸收.通過測量正常光譜線朝可見光譜紅端或紫端的位移，天文學(xué)家能夠計算出恒星移向我們或遠(yuǎn)離我們的速度，即視向速度.1848年，法國物理學(xué)家斐索指出，注意光譜線的位置能夠取得觀測光的多普勒效應(yīng)的最佳效果.因此，人們把光的多普勒效應(yīng)稱為多普勒一斐索效應(yīng)（下圖）.多普勒一斐索效應(yīng).當(dāng)光源靠近時，光譜線會移向紫端（左邊）；而當(dāng)光源遠(yuǎn)離時，光譜線則移向紅端（右邊）多普勒一斐索效應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用在各個不同的方面.在我們的太陽系內(nèi)，它可以用來以一種新的方式證實太陽的自轉(zhuǎn).在太陽自轉(zhuǎn)的過程中，太陽正在轉(zhuǎn)向我們的邊緣所發(fā)出的光譜線會向紫端偏移（紫移）.而另一邊緣則顯示出紅移，因為這一邊緣正在遠(yuǎn)離我們而去.誠然，太陽黑子的運動是探測太陽自轉(zhuǎn)的更好而且更明顯的方法（已由此得知，太陽相對于恒星的自轉(zhuǎn)周期大約是26天）.不過，多普勒效應(yīng)可以用來測定沒有特征的天體的自轉(zhuǎn)，如土星環(huán).多普勒一斐索效應(yīng)可以用于任何距離的天體，只要能使那些天體產(chǎn)生出可供研究的光譜.因此，它最突出的成果是在恒星的研究方面.1868年，英國天文學(xué)家W.哈金斯測量了天狼星的視向速度，并宣布它正在以每秒47公里（29英里）的速度遠(yuǎn)離我們而去.（現(xiàn)在我們已有更精確的數(shù)字，但他第一次就能做到這種地步，已經(jīng)是相當(dāng)精確了.）到1890年，美國天文學(xué)家J.E.惠勒使用更精確的儀器，取得大量可靠的數(shù)據(jù).例如，他指出，大角星正在以每秒6公里（3.75英里）的速度接近我們.多普勒一斐索效應(yīng)甚至能夠用來確定望遠(yuǎn)鏡無法分辨的恒星系統(tǒng)是否存在?例如1782年，英國天文學(xué)家古德里克（他是一個聾啞人，死時才22歲.他雖然身體殘廢，卻是一個第一流的天才）研究了大陵五，發(fā)現(xiàn)它的亮度有規(guī)律地增強(qiáng)和減弱.古德里克對這種現(xiàn)象的解釋是，假設(shè)有一顆暗伴星圍繞著大陵五運行，周期性地從它前面經(jīng)過，從而掩食了它，使它的光線變暗.過了一個世紀(jì)，這個似乎可能的假說才得到另一個證據(jù)的支持.1889年，德國天文學(xué)家沃格爾指出，大陵五的光譜線交替發(fā)生紅移和紫移，并且和它的明暗變化相吻合.一開始大陵五遠(yuǎn)離我們，而暗伴星朝我們靠近；然后大陵五朝我們靠近，而暗伴星遠(yuǎn)離我們.大陵五被看成是一顆食雙星.1890年，沃格爾發(fā)現(xiàn)了一種類似而且更普遍的現(xiàn)象.他發(fā)現(xiàn)，有些恒星是既前進(jìn)又后退，就是說，光譜線同時顯示紅移和紫移，就像雙重線一樣.沃格爾的結(jié)論是，這種星是一種食雙星，兩顆子星（都是亮星）靠得非常近，甚至用最好的望遠(yuǎn)鏡看上去還是像一顆單獨的星.這類雙星叫做分光雙星.不過，我們沒有必要把多普勒一斐索效應(yīng)局限在我們銀河系的恒星上，銀河以外的天體也可以用這種方法來研究.1912年，美國天文學(xué)家斯里弗在測量仙女座星系的視向速度時發(fā)現(xiàn)，這個星系正在以大約每秒200公里（125英里）的速度朝我們運行.可是，當(dāng)他繼續(xù)觀測其他星系時，發(fā)現(xiàn)它們中大部分都在遠(yuǎn)離我們而去.1914年，斯里弗獲得15個星系的數(shù)據(jù)，其中有13個都在以每秒數(shù)百公里的速度急速退行.隨著對這些線索的繼續(xù)研究，情況變得更加明朗了.除了幾個最近的星系外，所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去.而且，隨著技術(shù)的進(jìn)步，使人們能夠探測到更暗而且可能是更遠(yuǎn)的星系，觀察到的紅移也進(jìn)一步增加了.1929年，在威爾遜山天文臺的哈勃提出，這些星系的退行速度在有規(guī)律地增加，一個星系的退行速度與其距離成正比.如果星系A(chǔ)遠(yuǎn)離我們的距離是星系B的2倍，那么星系A(chǔ)的退行速度就是星系B的2倍.這個規(guī)律有時叫做哈勃定律.后來的觀測確實進(jìn)一步證實了哈勃定律.1929年初，在威爾遜山的哈馬遜使用254厘米（100英寸）望遠(yuǎn)鏡獲得更加暗弱的一些星系的光譜.他所能觀測到的最遠(yuǎn)的星系在以每秒40000公里（25000英里）的速度退行.508厘米（200