多普勒:紅與藍光的效應 (11/29)

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撰文|01哲學團隊

 

今天是奧地利著名的科學家基斯蒂安.多普勒(Christian Doppler)誕生的日子,他於1842年提出了著名的多普勒效應(Doppler effect),這個效應現在被廣泛應用在多個領域,例如光學、天文學和氣象學等等。

多普勒生於奧地利薩爾斯堡的一個石匠家庭,小時身體體質較弱,父親估計他難以繼承家業,故多普勒到了維也納一所大學學習數學、哲學和天文學。多普勒稍後非常幸運地在捷克布拉格找到一份工作,不過由於教學工作實在太繁重,多普勒的健康亦因此受到嚴重的損害。

多普勒死後,他的一位朋友哀悼說︰「很難想像奧地利能夠出現這樣的一位多產的天才,我曾給很多人寫信反映這事,為了多普勒本人,儘量不要給他太多負擔,不過最後很不幸,多普勒還是積勞成疾而逝世。」

 

基斯蒂安.多普勒(Christian Doppler)

 

多普勒效應

1842年,多普勒在一篇論文中提到了星體發出的光會發生色偏的現象,也就是現在人們所說的「多普勒效應」。這個效應指出這種新式的測定恆星運動和距離的方法應該會受到天文學家的青睞:因為恆星距離人們太遠,又或是星位角的太小,用當時的一般方法幾乎無法測量。到底什麼是「多普勒效應」﹖先來讓我們看看以下一個例子。

假設你在馬路上走著,有輛警車響著警號朝著你迎面而來,警車駛得愈接近你,鳴笛聲會愈響;而警車離你而去時,鳴笛聲的頻率就會下降。這個對所有人而言極為普通事例到底說明了什麼呢?多普勒效應就指出:發射聲波的物體和觀察者之間存在著一種相對的運動。當汽車向你駛來時,你和警車之間的聲波會被擠壓,因波陣面之間的距離被擠壓,所以聲波的頻率升高;而當警車離去時,各個波陣面需要更長的時間才能抵達觀察者一方,波陣面之間的距離間隔比較大,所以聲波的頻率會下降。

 

當汽車向你駛來時,聲波的頻率會升高;而當警車離去時,聲波的頻率會下降(Hamedog/en.wikipedia)

 

星星到底有多遠

多普勒效應的應用極為廣泛,如被用來追蹤路邊超速汽車的雷達的設計,甚至被用來測量恆星附近的行星之移動軌跡與距離。具體來說,當行星向地球移動時,行星所發出的光頻率會升高;當行星離地球而去時,行星所發出的光頻率會下降。所以當行星向地球移動時,行星看上去會發出藍光;而行星離地球而去時,行星看上去會發出紅光。因此,人們則能根據「紅移」(redshifted)和「藍移」(blueshifted)兩種現象來判定行星的移動和距離。

 

徑向速度量測法(radial-velocity method)圖解,這測量法套用多普勒效應來測量行星的移動軌跡與距離

 

多普勒效應對科學發展作出了偉大的貢獻,不過多普勒本人至死時也未能預見自己的理論能有多大的效用。然而,就在多普勒死後短短的十多年,天文學家維斯托・斯里弗(Vesto Slipher)就利用多普勒效應,測定了河外的星雲出現「紅移」現象,為宇宙大爆炸理論(Big Bang Theory)提供了有力的證據。

 

 

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