谱线红移

谱线红移[求助]什么是谱线红移？它表达什么样的物理意义？

天体光谱中某一谱线相对于实验室光源的比较光谱中同一谱线向红端的位移。红移z的定义是：z = (λ-λ) /λ =Δλ /λ。式中λ是实验室光源的某一谱线波长，λ是天体的同一谱线波长。z>0，红移，波长增加；z<0，紫移，波长减小。在红移问题中，z都大于0，因而往往简单地把z作为红移的符号。z是无量纲的标量，习惯上又总是按照多普勒效应把z换算为相应的速度。红移表示光源正在远离观测者。可以简单理解为红移表示光源正在远离观测者，相反蓝

移表示光源正在接近观测者

可能存在三中形成宇宙谱线红移的原因，即：宇宙学效应、多普勒效应、康普顿效应，本文从理论上提出鉴别那一种是形成主要原因的方法。并针对试验的可能性的结果提出对宇宙观念的可能性影响。

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（文中缺失的图片见参考资料）

一、引言

1、牛顿力学导致的宇宙观念

在牛顿力学中,由于基础性的定义来自于牛顿运动定律,因此对于宇宙的观念存在着一定的局限性,主要表现为如下的方面:

牛顿第一运动定律决定了物质的存在属性——惯性。所有的物体在不受到外来作用的时候都将会保持它本身的运动状态。这样的一条规律推广到整个的宇宙，决定了宇宙的存在状态。当然，单靠这一点还是不够的，牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律可以推出动量守恒定律。根据动量守恒定律和牛顿第一运动定律就很自然的推出宇宙的状态了，即：在宇宙的宏观上，无边无际，各向均匀同性。这样的一种宇宙观念在相对论宇宙观念建立之前得到了一种认同。通常将这种观念叫做无限宇宙论。

物质的本身除了惯性之外，还存在另外一种属性，这种属性就是所有的物体之间都存在一种引力——万有引力。牛顿所建立的万有引力定律确定了物体之间的作用规律，这个作用规律在解决宇宙的问题上和牛顿运动定律的本身发生矛盾。如果宇宙是有限的，那么，物质间由于万有引力的作用，最终会所有的物质会由于万有引力的作用而凝聚到一起。如果宇宙是无限的，那么均匀分布在无限宇宙空间中内部区域的这些物质之间的万有引力的作用，则会互相抵消。但是，这导致了另一个问题，所有万有引力的叠加会导致引力势为无限大，这就是Neumann-Seeliger佯谬。在理论计算上，由于处理方法的局限性，必须引入处理区域边界的模式，因此，理论上的这种假设宇宙无限模式是无效的，或者说这是数值计算模式的局限性。这个问题体现了经典力学先天固有的不足。

在传统的观念中，关于均匀、静止、无限的宇宙的另一个矛盾则是奥伯斯佯谬，即：假设天体的光度为，以密度n均匀分布，则天空背景的亮度ι为

这样就出现了天空背景无限亮的矛盾。实际上，这个矛盾是不存在的。因为在采用上面的处理方法忽略了一个重要的问题，就是恒星发出的光与距离的关系。我们知道，光照强度同光源距离的平方成反比，这样的一个关系导致了奥伯斯佯谬不能成立。

2、相对论导致的宇宙观念

光作为宇宙信息很早就引起人们的注意，在光的传播问题上，十九世纪的麦克斯韦在解释电磁理论的基础上，提出了在宇宙空间中存在以太海的假设，但是在人们采用试验的方法来验证以太的存在时，比如比较有名的麦克尔逊——莫雷实验，却不能得到以太存在的证据。这说明采用十九世纪以前经典的力学方法不能对电磁理论关于光的传播问题很好的进行解释，或者更进一步说，经典的力学和电磁理论是不兼容的，采用试验的方法客观事实不支持这样的结论，至少在十九世纪是这样的。

爱因斯坦在当时的经验事实的基础上，（主要是根据如下的两点假设，第一光速与光源的运动无关，第二，人们采用各种方法测量到的光速为一近似常数的结论）提出光速为一常数并且与惯性参照系无关的结论。并进一步提出所有物体的运动速度不能超过光速，将光速设定为物体运动的极限速度。这通常叫做狭义相对论的光速不变原理。通过这个途径，建立了电磁理论的联系。这实际上是建立了关于宇宙中物体的运动和定量的一种关系，或者说宇宙中物体的描述状态的关系。当然，仅凭这一点还是不够的，因为在定量的过程中还存在定量体和被定量体，这一点是通过惯性系来实现的，即通常所说的狭义相对论的相对性原理。

狭义相对论的相对性原理实际上是伽利略相对性原理，在原理所表述的内容上几乎是没有区别的。即：关于力学定律在所有惯性参照系中都是相同的原理。或者更进一步的说，是牛顿运动定律扩展到描述系统的应用情况。另一方面说明，牛顿力学规律的普适性，在相对论中兼容了牛顿力学规律。在狭义相对论中，惯性参照系普遍的定量规律为推广到宇宙的定量状态打下了一个伏笔。

前面我们知道，物质本身的属性存在两种属性，一种属性是惯性，爱因斯坦通过惯性和光速不变原理建立了狭义相对论描述惯性系的基础。另一种属性则是万有引力，那么万有引力又是通过什么来进行描述的呢？下面我们来看这个问题。

物质本身所具有的万有引力和物质作用的关系，其本身是一种经验约定，在这个关系上，经典的牛顿力学采用平方反比定律来对这个问题进行描述。爱因斯坦则另辟小径，通过加速度和引力的等效模式来进行等效处理，或者说惯性质量等效于引力质量。如果说狭义相对论是处理惯性系的问题，那么广义相对论则是处理非惯性系参照系的问题。在广义相对论存在的问题——原理上的问题中，我们已经讨论了这个问题惯性质量和引力质量是不需要采用等效的模式来进行经验约定的，它们本身都是力学的定义系统。在广义相对论中还包括另一种涵义，这种含义就是通过等效的模式建立狭义相对论和广义相对论之间在观念、范围、描述模式上的联系，在和狭义相对论相等效的模式上，物体在不同惯性参照系中切换的过程中（变速运动），形成时间和空间的变率，如果是变速运动是稳定的，比如角动量为均匀的旋转系，那么时间和空间的变率也是相同的。我们知道，变速运动等效于引力，这使得广义相对论具有相似的描述模式，甚至可以进行等效切换。在数学上采用曲率张量来进行描述，引力系统的引入使得数学上的空间弯曲成为一种形象的描述模式。

在一个引力系统所造成的空间曲率描述中，无疑会形成一种以引力源为中心的中心对称。那么，如果将整个的宇宙系统当作一个引力系统，无疑将是一个球形。如果宇宙的物质分布是均匀的，那么将会得到一个准球形。

相对论的理论毕竟是理论，下面我们来看关于现代的宇宙理论以及客观事实是否支持这样的结论。

二、“膨胀”宇宙的发现

关于宇宙膨胀的观念主要来自于对星体距离的测量上，采用几何学三角测量的方法，以地球长轴为基线所测定的极限距离不超过150光年，利用某一期间的角位移和谱线得多普勒效应来对星团自转求线速度的方法，其测定出的距离不超过三千光年，超过这个极限则利用造父形脉动变星的距离测量法，即知道天体的绝对亮度和标准光源进行比较即可。1914年前后，V.M.Slipher根据谱线红移发现了几个大于10的三次方千米/秒的速度离开我们的天体。大约有过了十年，哈勃测定了这些天体的距离，结果证明这些天体是一些距离在10的7次方光年以上的遥远的星系。但是，如果恒星的距离太远，则不能分辨和看到，对这种情况，有的以星系内最亮的恒星作为标准，有的只能以星系整体亮度作为标准尽可能的确定更多的星系的距离和红移，经过整理，1922年哈勃发现具有巨大红移的星系，其退行速度和距离成正比。其中，为哈勃常数，其值为，他认为这是由于宇宙的均匀的膨胀而造成的。

后来利用二战后发展起来的射电望远镜是观测的范围更加扩大，可是由于射电波几乎都是连续的，所以信息量很少。只有从比较近的星系测得的21cm谱线的红移才于光学观测的情况相似。

[来自于宇宙物理学]

在宇宙膨胀的观念中，其主要的证据来自于宇宙光线的谱线红移，那么，谱线红移的客观事实结果的唯一解释是不是谱线发射体在远离我们而去呢？如果谱线发射体在远离我们而去是谱线红移的唯一的解释，那么宇宙的膨胀的解释则成立，否则，则不能成立。这样的结论关键在于谱线红移和谱线发射体在远离我们而去是唯一对应的解释。或者是主要的解释，其它可能包含的解释可以略而不计。

我们稍微对光波和宇宙空间的环境分析一下，就知道这样的解释不是唯一的，更不是主要的解释。下面我们来看引起谱线红移的可能性的解释。

1、引起谱线红移可能性的解释

第一、传递波的介质可能引起的红移（假设中的，很可能不存在）

引起谱线红移的可能性的解释我们可以先从常规波来探讨这个问题。

我们从平静的水面上投掷一颗石子，那么石子会在水面上形成水面波，只要我们稍微注意一下就会发现，随着水面波向远处传递，波峰的运动速度会越来越慢。其原因是由于水的粘滞系数的关系。

在声波上也有相似的结果，近处打雷的声音要清脆一些，而远处的雷声要低沉一些，其原因是声源所引起的声压、分子的运动速度，都会由于损耗减小所至。[可参见速度的问题之二————震动与波（上）]

如上两种机械波的在传递过程中所引起的频率红移，都是由于传递波的介质而引起，或者说是由于介质的机械属性所引起。当然，这和空间中传递的电磁波是完全不同属性的波。不能做相同的类比。

但是，光的传递介质是不是存在。在十九世纪，以太作为光的传递介质被麦克尔逊——莫雷实验否定后，其它有效的并被人们所接受的作为介质还没有被提出来。如果传递光的介质存在力学的属性，那么谱线的衰减红移，则是一种必然。可惜的是迄今没有发现这种介质。

（另：关于光的传递介质，童正荣先生曾提出过wg粒子，它是和引力相关联的粒子,在光的传递过程中，存在距离效应。童先生的文章我并没有读过，只是偶尔从论坛上看到过他所粘贴的帖子，也表达过距离红移相似的内容。）

因此，对于遥远星系光的红移可以采用三种方法的可能，即：由于宇宙中存在的物质所导致的康普顿散射、带电粒子对光线能量的吸收所导致的红移；宇宙膨胀导致的宇宙大小尺度上存在的距离红移；由于宇宙天体的运动所形成的多普勒频移。

第二、空间中的物质导致的红移

在广漠的宇宙空间中存在着大量的轻原子粒子、基本粒子，光线在穿过这些粒子的过程中，会产生散射。考虑到光线和这些粒子的作用，那么会存在降低谱线频率的现象，这种现象通常叫作康普顿效应。传统中所指的康普顿效应是指光线和原子中电子的碰撞过程，我认为光线不仅仅和原子中的电子发生的碰撞会存在频率降低的现象，光线和基本粒子的作用也会存在频率降低的现象。在空间的介质问题之四——光的本性与麦克尔逊

—莫雷实验（中）(光的粒子性)中，已经讨论了关于光和带电粒子间的作用，另一方面，康普顿效应已经解决了光和原子间作用的规律，因此这里就不探讨光和原子间作用的详细的细节性问题了，而仅列出光和基本粒子作用的结论。即：

光和带电基本粒子间的作用过程中，光的频率降低而减小的量值同带电粒子的速度变化率成正比。这一点不适用于原子等复合性的粒子，即：不适用于传统康普顿效应的计算方法。

毫无疑问，光通过宇宙空间中的介质粒子的过程中，会和这些介质粒子发生相互作用。由于这些粒子既包括高速运动的带电粒子流，也包括在近乎静止的原子分子，因此在处理上，可以采用宏观统计的方法进行各向同性处理，对于广阔的宇宙而言，甚至可以当作一种常数。当然，这样的处理方法是近似的处理方法，并不是很严密，因为在不同的宇宙空间中，比如接近宇宙天体和远离宇宙天体，粒子、离子、原子分布的种类、数量以及状态是完全不同的。将导致康普顿效应的空间介质当作一种统计上的常量处理。（光和带电粒子间的作用所导致的红移能不能包含在其中，这是一个精确度的问题，寻求更精确的我想不能包含在其中。）

第三、宇宙天体和地球的相对运动速度所导致的红移

如图：有一静止波源在发射一个一维确定波长的波，当观测者静止时，它会观测到两个竖直线间距离的波长。假如这个观测者以一个确定速度在运动，那么当他接受到第一个波峰之后，它会继续向波源运动，当他接受到另一个波峰时，它所在的位置已经在虚竖线的位置，那么我们所实际观测到的波长则不是静止时的波长。通常我们采用频率的变化来描述这种状态，通常叫做谱线的频移。

在常规的机械波，如声波中，假设观察者和波源都在同一条直线上，并且观测这和波源存在相对运动，并且是匀速的，那么，波源所发出的一个确定频率的波会因为波源和观测者的相对运动而在观测者的观测结果里，频率会有所改变。通常我们把这种现象叫做多普勒频移。其表达式为其中为观测者相对于媒质的速度，u为波源相对于媒质的速度，波的传播速度为V，为观测者观测到的频率，为波源发出的频率。如果应用于宇宙空间中的多普勒频移，只要将上式中的分母换作时间膨胀因子（或者空间收缩因子）为观测者或者波源的速度，那么就是相对论的表达形式。

采用波长来表达在形式上可以更为简单一些，即：λ=λ0-Δι，其中λ观测者观测到的波长，λ0为波源发出的波长，Δι为光通过一个观测者观测到的一个波长的时间里，观测者和波源之间的相对位移。

在观测到的宇宙中遥远的星光的频率所发生的改变，通常被认为是第三种情况，宇宙天体和地球的相对运动速度所导致的红移，很自然的，在现代天文学中就得到了宇宙膨胀的结论。

2、谱线频移的鉴别方法

在前面我们已经探讨了宇宙中遥远星系所发出的光在我们观测上可能会存在三种频移，这三种频移单独观察一个谱线是无论如何也不能进行区分的。那么是不是就没有办法了呢？当然不，以下方法可以将谱线的三种频移分辩开来。

第一、传递波的介质或者距离效应所导致的红移（暂时针对机械波）

波的传递介质或者距离效应所导致的频移其原因是由于传递波的介质在对光的能量传递过程中所形成的能量损耗所造成，因此在关系式上，可以表达成光衰减的频率同光传递的距离成正比。可以表示为：

=-△

其中表示我们观测到的频率，为标准谱线的频率，△为光线通过确定空间长度后所衰减的频率，它和距离长度成正比。如果我们将上图中的谱线横线当作谱线坐标的话，那么我们会看到谱线均匀的横向移动，每一条实际观测的谱线都会在标准谱线系图上横移△。如图：图中颜色较淡的竖线，表示我们实际观测到的发生频移的谱线系。较深的竖线表示标准的谱线系。当然，在对遥远星系的观测过程中，我们得到一个谱线系是不容易的，因为光线强度是非常小的。其实，只要在实际的观测中观测到到任意两条谱线，那么就可以采用这种比较的方法来得到结果。

(关于这个图并不是标准的,在谱线位置的关系上也是不对的,这里仅仅为了说明观测到的多普勒红移在标准的谱线系上的比较存在区别,只要注意采用观测谱线和标准谱线之间的关系很容易鉴定,那么这个图则是次要的了。）

第二、宇宙天体和地球的相对运动速度所导致的多普勒红移

多普勒频移仅和观测者和光源的相对速度有关，那么多普勒的表达形式为:

由于观测者和光源之间的相对速度在不同的谱线中是相同的，因此可以简单的表达成=k，其中k等于。

我们可以看到，多普勒频移和距离效应存在着本质的区别，这种区别就是在谱线系的标准图上和我们观测到的谱线系，其谱线的位置的变换为=k。如图：

(关于这个图并不是标准的,在谱线位置的关系上也是不对的,这里仅仅为了说明观测到的多普勒红移在标准的谱线系上的比较存在区别,只要注意采用观测谱线和标准谱线之间的关系很容易鉴定,那么这个图则是次要的了。）

第三、空间中的物质导致的红移

空间中的物质所导致的红移除了星际分子原子物质和光发生的康普顿散射之外，其它的就是带电粒子和光发生的作用了。但由于前面的多普勒频移是简单的谱线移动，那么这就提供了一种简单的鉴别两种红移的方法。

如果将宇宙中的媒质采用统计的方法，可以将媒质当作异种均匀的各向同性的分子原子物质处理。但是对带电粒子处理则不能采用这样的方法，因为带电粒子的运动速度在空间中的分布应该符合一种统计的分布。光子和这些带电粒子的作用所引起的谱线频移则要采用统计分布的原则了。

频率高的光和介质发生的康普顿散射所损失掉的能量要多一些，频移相对的要大一些。相反，频率低的光和介质发生的康普顿散射所损失掉的能量要小一些，频移相对的也要小一些。那么这就存在这样一种趋势，就是光经过大量的多普勒散射之后，频率分布会趋向均匀，换句话说，将会趋向于连续谱线。带电粒子和光线的作用也是相似的。谱线系的结构在我们观测上将会模糊或者消失。当然，这依赖于光线通过的距离。如果是光线通过的距离是无限的，那么我们所观测到的则必然是某种连续谱线。这一点很容易和上两种谱线频移的原因区分开。