红移
红移
红移(红移)
红移在物理学和天文学领域，指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低。红移的现象目前多用于天体的移动及规律的预测上。红移最初是在人们熟悉的可见光波段发现的，随着对电磁波谱各个波段的了解逐步深入，任何电磁辐射的波长增加都可以称为红移。对于波长较短的γ射线、X-射线和紫外线等波段，波长变长确实是波谱向红光移动，“红移”的命名并无问题；而对于波长较长的红外线、微波和无线电波等波段，尽管波长增加实际上是远离红光波段，这种现象还是被称为“红移”。当光源远离观测者运动时，观测者观察到的电磁波谱会发生红移，这类似于声波因为多普勒效应造成的频率变化。这样的红移现象在日常生活中有很多应用，例如多普勒雷达、雷达枪[1]，在分光学上，人们使用多普勒红移测量天体的运动[2]。这种多普勒红移的现象最早是在19世纪所预测并观察到的，当时的部分科...
目录 类别 区别 发展历程 机制原理 收缩展开 类别红移有3种：多普勒红移（由于辐射源在固定的空间中远离我们所造成的）、引力红移（由于光子摆脱引力场向外辐射所造成的）和宇宙学红移（由于宇宙空间自身的膨胀所造成的）。对于不同的研究对象，牵涉到不同的红移。
多普勒红移
1.由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线的光谱向红光光谱方向移动。 2.一个天体的光谱向长波（红）端的位移。天体的光或者其它电磁辐射可能由于运动、引力效应等被拉伸而使波长变长。因为红光的波长比蓝光的长，所以这种拉伸对光学波段光谱特征的影响是将它们移向光谱的红端，于是这些过程被称为红移。 3.在高光谱遥感领域的红移。在植被的光谱曲线中，遭胁迫的植物的红-红外透射曲线向更短波长方向移动（Cibula和Carter， 1992）的现象称为“红端偏移”简称“红移” 简单的说，就是700纳米波长范围的拐点向短波方向移动（如右图曲线）。
引力红移
引力红移，是强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象。由广义相对论可推知，当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的辐射源发射出来的谱线，其波长会变长一些，也就是红移。只有在引力场特别强的情况下，引力造成的红移量才能被检测出来。引力红移现象首先在引力场很强的白矮星（因为白矮星表面的引力较强）上检测出来。二十世纪六十年代，庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法，测量由地面上高度相差22.6米的两点之间引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动，定量地验证了引力红移。结果表明实验值与理论值完全符合！
区别多普勒红移
物体和观察者之间的相对运动可以导致红移，与此相对应的红移称为多普勒红移，是由多普勒效应引起的。 通常引力红移都比较小，只有在中子星或者黑洞周围这一效应才会比较大。对于遥远的星系来说，宇宙学红移是很容易区别的，但是在星系随着空间膨胀远离我们的时候，由于其自身的运动，在宇宙学红移中也会参杂进多普勒红移。
引力红移
根据广义相对论，光从重力场中发射出来时也会发生红移的现象。这种红移称为重力红移。 一般说来，为了从其他红移中区别引力红移，你可以将这个天体的大小与这个天体质量相同的黑洞的大小进行比较。类似星云和星系这样的天体，它们的半径是相同质量黑洞半径的千亿倍，因此其红移的'量级也大约是静止频率的千亿分之一。对于普通的恒星而言，它们的半径是同质量黑洞半径的十万倍左右，这已经接近光谱观测分辨率的极限了。中子星和白矮星的半径大约是同质量黑洞半径的10和3000倍，其引力红移的量级可以达到静止波长的1/10和1/1000。
宇宙学红移
20世纪初，美国天文学家埃德温·哈勃发现，观测到的绝大多数星系的光谱线存在红移现象。这是由于宇宙空间在膨胀，使天体发出的光波被拉长，谱线因此“变红”，这称为宇宙学红移，并由此得到哈勃定律。20世纪60年代发现了一类具有极高红移值的天体——类星体，成为近代天文学中非常活跃的研究领域。 宇宙学红移在100个百万秒差距的尺度上是非常明显的。但是对于比较近的星系，由于星系本身在星系团中的运动所造成的多普勒红移和宇宙学红移的量级差不多，你必须仔细的别开这两者。通常星系在星系团中的速度为3000km/s，这大约与在5个百万秒差距处的星系的退行速度相当。 红移公式为 e^z=v/c（z+1）+1 其中：e 为自然对数底数 z 为红移 c 为光速 v 为宇宙间的星体退行速度
发展历程这个主题的发展开始于19世纪对波动力学现象的探索，因而连结到了多普勒效应。 稍后，因为克里斯琴·安德烈·多普勒在1842年对这种现象提出了物理学上的解释，而被称为多普勒效应。他的假说在1845年被荷兰的科学家ChristophHendrikDiederikBuysBallot用声波做实验而获得证实。多普勒预言这种现象可以应用在所有的波上，并且指出恒星的颜色不同可能是由于它们相对于地球的运动速度不同而引起的。后来这个推论被否认。恒星呈现不同的颜色是因为温度不同，而不是运动速度不同。 多普勒红移是法国物理学家斐索在1848年首先发现的，他指出恒星谱线位置的移动是由于多普勒效应，因此也称为“多普勒-斐索效应”。1868年，英国天文学家威廉·哈金斯首次测出了恒星相对于地球的运动速度。 在1871年，利用太阳的自转测出在可见光太阳光谱的夫朗和斐谱线在红光有0.1Å的位移。在1901年，AristarkhBelopolsky在实验室中利用转动的镜片证明了可见光的红移。 在1912年开始的观测，VestoSlipher发现绝大多数的螺旋星云都有不可忽视的红移。然后，哈勃定律。这些观察在今天被认为是造成宇宙膨胀大霹雳理论的强而有力证据。
机制原理一个光子在真空中传播可以有几种不同的红移机制，每一种机制都能产生类似多普勒红移的现象，意谓著z是与波长无关的。这些机制分别使用伽利略、洛伦兹、或相对论转换在各个参考架构之间来比较。 红移型式 转换的架构 所在度规 多普勒红移 伽利略转换 欧几里得度规 相对论的多普勒 洛伦兹转换 闵可夫斯基度规 宇宙论的红移 广义相对论转换 FRW度规 重力红移 广义相对论转换 史瓦西度规
多普勒效应
如果一个光源是远离观测者而去，那么会发生红移(z>0)，当然，如果光源是朝向观测者移动，便会产生蓝移（z<0）。这对所有的电磁波都适用，而且可以用多普勒效应解释。当然的结果是，这种形式的红移被称为多普勒红移。 相对论的多普勒效应更完整的多普勒红移需要考虑相对论的效应，特别是在速度接近光速的情况下。简单的说，物体的运动接近光速时需要将狭义相对论介绍的时间扩张因素罗伦兹转换因子γ引入古典的多普勒公式中，改正后的形式如下： 这种现象最早是在1938年赫伯特E艾凡斯和GR.史迪威进行的实验中被观察到的，称为艾凡斯-史迪威实验。 由于罗伦兹因子只与速度的量值有关，这使得红移与相对论的相关只独立的与来源的运动取向有关。在对照时，古典这一部分的形式只与来源的运动投影在视线方向上的分量有关，因此在不同的方向上会得到不同的结果。同样的，一个运动方向与观测者之间有θ的角度（正对着观测者时角度为0），完整的相对论的多普勒效应形式为： 而正对着观测者的运动物体（θ=0°），公式可以简化为： 在特殊的状况下，运动源与测器成直角（θ=90°），相对性的红移为横向红移，被测量到的红移，会使观测者认为物体没有移动。即时来源是朝向观测者运动，如果有横向的分量，那么在这个方向上的速度可以扩张到抵消预期中的蓝移，而且如果速度更高的还会使接近的来源呈现红移。
膨胀的宇宙
在20世纪初期，史立佛、哈勃和其他人，首度测量到银河系之外星系的红移和蓝移，它们起初很单纯的解释是多普勒效应造成的红移和蓝移，但是稍后哈柏发现距离和红移之间有着粗略的关联性，距离越远红移的量也越大。理论学者几乎立刻意识到这些观察到的红移可以用另一个不同的机制来解释，哈柏定律就是红移和距离之间交互作用的关联性，需要使用广义相对论空间尺度扩张的宇宙论模型来解释。结果是，光子在通过扩张的空间时被延展，产生了宇宙学红移。这与多普勒效应所描述的因速度增加所产生的红移不同（这是罗伦兹转换），在光源和观测者之间不是因为动量和能量的转换，取代的是光子因为经过膨胀的空间使波长增加而红移。这种效应在现代的宇宙论模型中被解释为可以观测到与时间相关联的宇宙尺度因次（a），如下的形式： 这种型态的红移称为宇宙学红移或哈勃红移。如果宇宙是收缩而不是膨胀，我们将观测到星系以相同比例的蓝移取代红移。这些星系不是以实际的速度远离观测者而去，取代的是在其间的空间延展，这造成了大尺度下宇宙论原则所需要的各向同性的现象。在宇宙学红移z<0.1的情况下，时空扩展的作用对星系所造成的独特效应与被观察到的红移，相对于多普勒效应的红移和蓝移是极微小的。实际的速度和空间膨胀的之间的区别在膨胀的橡皮板宇宙有清楚的说明，一般的宇宙学也曾经描述过类似的空间扩展。如果以滚珠轴承来代表两个物体，以有弹性的橡皮垫代表时空，多普勒效应是轴承横越过橡皮垫产生的独特运动，宇宙学红移则是橡皮垫向下沉陷的柱状体的沉陷量。（很明显的在模型上会有维度的问题，当轴承滚动时应该是在橡皮垫上，而如果两个物体的距离够远时宇宙学红移的速度会大于多普勒效应的速度。） 尽管速度是由分别由多普勒红移和宇宙学红移共同造成的，天文学家（特别是专业的）有时会以“退行速度”来取代在膨胀宇宙中遥远的星系的红移，即使很明显的只是视觉上的退行。影响所及，在大众化的讲述中经常会以“多普勒红移”而不是“宇宙学红移”来描述受到时空扩张影响下的星系运动，而不会注意到在使用相对论的场合下计算的“宇宙学退行速度”不会与多普勒效应的速度相同。明确的说，多普勒红移只适用于狭义相对论，因此v>c是不可能的；而相对的，在宇宙学红移中v>c是可能的，因为空间会使物体（例如，从地球观察类星体）远离的速度超过光速。更精确的，“遥远的星系退行”的观点和“空间在星系之间扩展”的观点可以通过坐标系统的转换来连系。要精确的表达必须要使用数学的罗伯逊-沃克度量。
重力红移
在广义相对论的理论中，重力会造成时间的膨胀，这就是所谓的重力红移或是爱因斯坦位移。这个作用的理论推导从爱因斯坦方程式的施瓦氏解，以一颗光子在不带电、不转动、球对称质量的重力场运动，产生的红移： 此处 ·G是重力常数， ·M是创造出重力场的质量， ·r是观测者的径向坐标（这类似于传统中由中心至观测者的距离，但实际是施瓦氏坐标） ·c是光速。 重力红移的结果可以从狭义相对论和等效原理导出，并不需要完整的广义相对论。 在地球上这种效应非常小，但是经由莫士包耳效应依然可以测量出来，并且在Pound-Rebkaexperiment中首次得到验证。然而，在黑洞附近就很显著，当一个物体接近事件视界时，红移将变成无限大，他也是在宇宙微波背景辐射中造成大角度尺度温度扰动的主要角色。
成因新解
对红移现象的公认解释为：速度造成红移，当一列火车向我们奔驰而来时，它的汽笛声尖锐刺耳，因为火车的高速运动使声波波长被压缩，能量密度增加。相反，当火车离开我们飞驰而去时，它的汽笛声则低沉幽缓，简称多普勒效应，光波的红移道理类同。 把光波的红移和声波的多普勒效应等同看待无疑是一种“以太”依赖症，潜意识里还是把光波视为依靠某种介质传播，就像声波传播依靠空气、水等一样。 造成红移现象的本质原因是“重力场差”，相对运动速度的确能够引起红移或蓝移，但相对运动速度只是产生“重力场差”的一种情形。 天文观测数据表明，红移现象远远多于蓝移，这似乎与大爆炸理论能够联系起来，但如果大爆炸理论成立，宇宙怎么会在大范围上密度均匀呢？而且，近100多亿年宇宙史（也许更长），暗能量早就应该烟消云散了，怎么还依然存在并驱动星系外移？如果说它还没有消散完全，那么如此强大的能量，宇宙当初为什么能够聚拢成一点呢？ 天体的红移现象多不是由于速度引起的，而是直接的“重力场差”造成的，需要特别说明的是这里用“重力场差”而不是重力场，原因在于它造成红移是双向的，如地球上能够测到太阳光线的红移，从太阳上测量来自地球的光线，也会发现红移。太阳和地球之间的重力场的场差造成了它们之间的光线红移。同理，行星之间由于存在重力场差，也会互相产生红移。 客观实际存在各种复杂情况，以下分别论述： 1.从金星向地球方向发射一枚火箭，使之成为围绕太阳旋转的“行星”，如果这枚火箭不能超越地球的公转轨道，那么，尽管火箭是朝向地球运动的，火箭发出的光从地球上测量仍然会产生红移，红移大小取决于火箭最终形成的公转轨道与地球公转轨道的重力场差。如果增大火箭的能量，使其轨道位于地球和火星之间，那么，在火箭掠过地球轨道前，火箭发出的光从地球上测量就会产生蓝移，蓝移大小同样取决于火箭公转轨道与地球公转轨道的重力场差，只是这时的重力场差为负值。但，如果火箭掠过了地球轨道，则重力场差变为正值，来自火箭的光线又变成红移。 2.如果从金星发射的火箭有足够大的能量，能够飞出太阳系，这种情况更复杂一些，首先要把地球和太阳视为一个整体，把火箭放在银河系重心形成的重力场里，计算重力场差产生红移或是蓝移的大小，然后附加太阳产生的重力场差的红移效应，由于银河重心产生的重力场差和太阳产生的重力场差在方向上并不会一致，它们二者是矢量叠加。 宇宙中星体或物体的相对运动，根本原因是它们处在不同的重力场中，这个重力场不能认为是可视空间中的某个星体引起的，而是整个宇宙重力场的叠加结果，也可以认为成相对运动的物体处在不完全相同的空间里，一些理论中描述的那种互相看不见的多维空间是不存在的，各种空间是融合的，一个处于某种状态的质点，它只能占据该空间点的一部分。假设在某片空旷的宇宙空间里，有两个相对静止的物体，在不考虑它们之间的重力场差时，可以认为它们处在同一空间。而如果这两个物体是处在某个重力场的不同位置，则它们是处在不完全相同的空间里，假设此时有一种魔力将它们突然移到同一处，那么，二者依然是处于不同的空间里（重力场背景里），物体间的相对运动速度本质上都是由于它们处在不同的空间里而产生的。所以，如果两个相对静止的物体，给其中一个突然加速，我们可以把它理解成被加速的物体被突然置于不同的重力场背景中（或者说不同的空间里）。光的红移现象都是由于光进入不同重力场环境造成的。 天文观测到的红移远远多余蓝移的原因在于：宇宙中任何星体都可以把自身视为宇宙重心而不动，如同黑洞，其它星体围绕本重心分布和运动，从一个星体观察整个宇宙，越是遥远的星体，重力场差越大，所以，红移也越大，直至无限大而无法观测到，极其遥远的星体发出的光会融入空间而化为平静。
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