多普勒效應課外閱讀

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，無法當一名石匠.他們接受了一位數(shù)學教授的意見，讓多普勒到維也納理工學院學習數(shù)學.多普勒畢業(yè)后又回到薩爾茨堡修讀哲學課，然后再到維也納大學學習高等數(shù)學、天文學和力學.畢業(yè)后，多普勒留在維也納大學當了四年教授助理，又當過工廠的會計員，然后到了布拉格一所技術(shù)中學任教，同時任布拉格理工學院的兼職講師.到了1841年，他才正式成為理工學院的數(shù)學教授.多普勒是一位嚴謹?shù)睦蠋?他曾經(jīng)被學生投訴考試過于嚴厲而被學校調(diào)查.繁重的教務和沉重的壓力使多普勒的健康每況愈下，但他的科學成就使他聞名于世.1850年，他獲委任為維也納大學物理學院的第一任院長，可是他在三年后便辭世，年僅四十九歲.著名的多普勒效應首次出現(xiàn)在1842年發(fā)表的一篇論文上.多普勒推導出當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作縱波，但多普勒效應這個結(jié)論卻是正確的.多普勒效應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)果支持多普勒效應的存在.多普勒效應有很多應用，例如天文學家觀察到遙遠星體光譜的紅移現(xiàn)象，可以計算出星體與地球的相對速度；警方可用雷達偵測車速等.多普勒的研究范圍還包括光學、電磁學和天文學，他設計和改良了很多實驗儀器，例如光學儀器.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.多普勒效應不知你是否注意過這樣的現(xiàn)象，當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)過認真的研究，發(fā)現(xiàn)波源和觀察者互相靠近或者互相遠離時，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.

為了了解多普勒效應，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，當波源和觀察者互相遠離時，觀察到的頻率變小.多普勒效應在科學技術(shù)中有廣泛的應用.交通警向行進中的車輛發(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.多普勒效應在醫(yī)學上的應用多普勒效應是指自然界普遍存在的一種效應，它是由奧地利科學家丁.Doppler于1842年最先發(fā)現(xiàn).當聲源由遠而近時聲調(diào)由粗變尖（即聲音的頻率增高，）當聲源由近而遠時，音調(diào)由尖變粗（即聲音頻率降低）.當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，應用多普勒效應，近十年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler大批量，當聲源或反射界面移動時，所發(fā)射和散射超聲，故可認為是微小的聲源，當紅細胞流經(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，如紅細胞朝向探頭時，根據(jù)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細胞離開探頭時，反射的聲頻則降低.當通過心室腔、瓣膜口，或大血管的血流正常時，紅細胞平行移動，鄰近的紅細胞血流方向相同且速度相近，由這些移動的紅細胞所產(chǎn)生的Doppler頻率均為正值或均為負值，即具有相當一致的特性，“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，則各個紅細胞的移動不平行，在受干擾的血流區(qū)，各個紅細胞以不同方向和不同速度移動，其所產(chǎn)生的Doppler頻移正負兼有，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——多普勒效應在天文學上的應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1500萬度.在這樣的溫度和壓力下，原子核可以進行在溫和的地球上無法進行的反應.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家們現(xiàn)在認為的那樣已經(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家對遠星系的探測和奧地利天文學家多普勒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，最常見的實例就是火車通過時的汽笛聲：當火車接近時笛聲音調(diào)升高；而當火車遠離時音調(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，多普勒效應不僅適用于聲波，也適用于光波.當運動著的光源的光波到達眼睛時，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，如果光源遠離我們而去，每秒鐘到達的光波就較少，于是光就會向可見光譜的低頻端（即紅端）偏移.天文學家對恒星的光譜進行了長期的研究，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，天文學家能夠計算出恒星移向我們或遠離我們的速度，即視向速度.1848年，法國物理學家斐索指出，注意光譜線的位置能夠取得觀測光的多普勒效應的最佳效果.因此，人們把光的多普勒效應稱為多普勒一斐索效應（下圖）.多普勒一斐索效應.當光源靠近時，光譜線會移向紫端（左邊）；而當光源遠離時，光譜線則移向紅端（右邊）多普勒一斐索效應已經(jīng)應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)是相當精確了.）到1890年，美國天文學家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.多普勒一斐索效應甚至能夠用來確定望遠鏡無法分辨的恒星系統(tǒng)是否存在?例如1782年，英國天文學家古德里克（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)律地增強和減弱.古德里克對這種現(xiàn)象的解釋是，假設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，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，當他繼續(xù)觀測其他星系時，發(fā)現(xiàn)它們中大部分都在遠離我們而去.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，所有的星系都在遠離我們而去.而且，隨著技術(shù)的進步，使人們能夠探測到更暗而且可能是更遠的星系，觀察到的紅移也進一步增加了.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遠離我們的距離是星系B的2倍，那么星系A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）望遠鏡獲得更加暗弱的一些星系的光譜.他所能觀測到的最遠的星系在以每秒40000公里（25000英里）的速度退行.508厘米（200