多普勒效应该怎么理解？什么是多普勒效应_波源_多普勒效应_光速

本文目录

• 多普勒效应该怎么理解
• 什么是多普勒效应
• 既然有光速不变原理，那为什么光还会受到多普勒效应的影响呢
• 多普勒效应适用于光吗

多普勒效应该怎么理解

多普勒效应，就日常经验与实验现象，比较容易理解；就工程技术，在多领域很成功。

不过，多普勒效应的本质，却鲜为人知，要不就是不得要领的解释一通。笔者早先做过深思解读，此次分享，供大家切磋批判。

先来复习一下常规解释，请见下面的引文。

多普勒效应的常识

声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。

当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变．在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大．同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小．

多普勒效应的物理方程

设声波速度v₀，观者速度v’，声源速度v。观察频率f’和发射频率f关系为：

观者接近声源：f’=f(v₀+v’)/(v₀-v)，蓝移；

观者远离声源：f’=f(v₀-v’)/(v₀+v)，红移。

多普勒效应的疑似性案例

多普勒效应不仅适用声波，也适用其它各种波。美国科学家哈勃(Edwin Hubble)使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。

他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低，即移向光谱红端，天体离开银河系的速度越快红移越大，说明这些天体在远离银河系。如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。

笔者之所以说“哈勃退行性红移”是疑似性案例，是因为造成红移有至少五种因素，未必是退行性红移，读者可以参阅笔者前文。

关于波的物理新视野

波的定义，简单的说，是周期性震荡激发环境介质的系统。震荡涉及圆频率。波源的圆频率(ω)与所激发波的线频率(f)是超对称关系，对于简谐振动，有：f=2πrω...(1)。

波的分类，比较复杂，有不少物理悬案。

●按震荡的稳定性分类，有三类波源：

①升频波源：即圆频率不断增大的波源。例如青春期前的恒星不断吸积太空物质，质量越来越大，热核反应越来越激烈，温度不断升高。

根据△T=1.5h△f/k...(2)，温度增量与频率增量成正比，对于哈勃望远镜来说，接收的是加速蓝移，不能误判为多普勒效应的逼近性蓝移。

②降频波源：即圆频率不断下降的波源。例如青春期后的恒星因为对外吸积量小于等离子体或宇宙射线对外的释放量，质量有所逐渐减少，热核反应逐渐下降，温度随之逐渐下降，进而所辐射的电磁波的频率也会逐渐下降，哈勃望远镜接收的是加速红移，不能误判为多普勒效应的退行性红移。

③恒频波源，即圆频率保持恒定的波源。这种情况对于恒星而言并不存在，因为恒星不恒，有生老病死。但对于在相对稳定的地球系统内所有原子光子光谱而言，可以认为各原子是稳定波源。

●按波源的位移性，有两类波源。

④固定波源，即某参照系下的波源位置相对固定或位移很慢。例如就太阳系而言，太阳是一个固定波源。

⑤移动波源，即某参照系下的运动物体或粒子，就是所谓的物质波。运动是绝对的，任何物体(天体与粒子)都是移动波源或物质波。

例如：退行型波源、逼近型波源、电子波源、原子波源、光子波源、飞机波源、子弹波源。

移动波源最重要的性质：只要物体运动，就会激发电磁波。这是笔者基于光电效应方程的创新。物理方程是：½mv²=hf=hc/λ...(3)。

●按普朗克常数限制性，有两类波源：

普朗克常数(h)的限制条件是：粒子必须以光速自旋，有：自旋势能=场势能=光子势能，即：mc²=hc/λ，或：h=mcλ...(4)。

h的本义，是定义费米子以光速自旋。换句话说，只有在h定义内的费米子才能用于含h的物理方程。所以，我们有以下两个分类：

⑥亚原子波源。也叫费米子波源。只有电子、质子、中子、中微子、夸克、缪子等费米子，受普朗克常数的限制。

这里特别指出，在描述费米子物质波激发电磁波时，只能用方程(3)，德布鲁伊的物质波公式λd=h/mv是不符合能量守恒定律的。

⑦大粒子波源。非光速自旋的粒子或物体。由于电磁波的波长或频率是强度指标，所以大粒子波源激发的电磁波只考虑其中的核子伴随大粒子运动的速度，总量指标可归入光子分布密度。

例题：求质量为15克的以600米/秒运动的子弹，激发的光子波长。解：子弹不是光速自旋的费米子，不受普朗克常数限制，考虑子弹内部核子与子弹同速，核子质量按m=1.673×10kg⁻²⁷：λ=2hc/mv²=6.6×10⁴，相当于66千米波长的超长无线电波。

归纳一下：按交叉分类共有7种波源：

升频波源、降频波源、恒频波源、固定波源、移动波源、亚原子波源、大粒子波源。

多普勒效应的本质

当移动波源逐渐远离观察者，波源与观察者之间的距离就会拉长，视同固定波源激发波的波程在渐行渐远，进而波的频率逐渐下降，波的能量被真空场吸收而逐渐衰减。

这种红移现象，本质上是波的热力熵在不断增加，好比水向低处流，水的势能在下降。

当移动波源逐渐逼近观察者，波源与观察者之间的距离就会缩短，视同固定波源激发波的波程好比倒放视频返回初始频率，进而波的频率逐渐上升，波的能量被真空场吸收逆向累减。

这种蓝移现象，本质上是波的热力熵在波源刚激发附近介质时，热力熵最小，频率最高。

任何波源激发的波，诸如电磁波(含光波)、引力波、机械波(含声波)，总是随着波程而逐渐降频红移或能量衰减，这是熵增原理或浓度扩散或最小作用量的具体表现。

好了，本答stop here。请关注物理新视野，共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。

什么是多普勒效应

多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论.主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化.在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 （蓝移 blue shift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应.波长变得较长，频率变得较低 （红移 red shift）.波源的速度越高，所产生的效应越大.根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度.恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度.除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小.所有波动现象都存在多普勒效应.

既然有光速不变原理，那为什么光还会受到多普勒效应的影响呢

光速不变原理与多普勒效应完全属于两个概念，光速并不受多普勒效应影响。题主会有这样的问题，说明你可能把“波的速度”与“波长的变化”的关系搞错了，这里面可能有些概念混淆。

简单来理解下，光速不变与多普勒效应的基本概念。

光速不变

“光速不变”现在基本上已经成为了科学界对世界的一个基础认知，至于为什么光速不变？还没有人能给出一个清晰、准确、并得到公认的答案。不过，能佐证光速不变的理论和实验，都已得到了科学界的承认。

理论方面，麦克斯韦最早在他的电磁学理论中，提出电磁波的传播速度只与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0相关，后来证明了光就是电磁波，说明光的速度只能是一个常数，表达式为C=1/ε0μ0。

实验方面，本来想证明“以太”存在的迈克尔逊-莫雷实验，反而终结了“以太说”，成为了证明光速不变的经典实验。

迈克尔逊-莫雷实验原理简述：小球表示光的运动轨迹，若以太存在，则红色光球和蓝色光球经透射与反射到达干涉仪时，会出现时间差（动图右）并出现明确的干涉条纹。但实际情况 确实（动图左），所以以太不存在，且光速不变。

虽然后来也有一些理论学说，发现了迈克尔逊-莫雷实验的不完备，继续支持光速可变。比如1908年瑞士物理学家里兹发表的“发射假说”，即光速会跟随光源运动速度的改变而改变。不过这种说法，后来很快就被各种实验所否定了。比如，双星观测、以及运动版的迈克尔逊-莫雷实验。

从此，我们知道光就像一个逍遥浪子。从不停歇，从不回头。不会因为别人怎么样而动摇自身的步调，每秒30万公里是光对世界永远的承诺。光速不变，已成为了当今物理学界一条牢不可破的“公理”。

什么又是多普勒效应呢？

多普勒效应，简单来说就是当一个信号源向你靠近时，你接收信号的波长会变短，而当一个信号源远离你时，你接受的信号波长会变长。

比如，你以一个固定的音调吹笛子，不同远处的人听到的笛声大小或许不一样，但都会听到同一个音调。

以“哆唻咪发唆啦西”音调变化来说，但当你吹着笛子靠近听笛声的人时，原本你一直吹地是“咪”这个音，但在他们的耳中，他们会听成“发”这个音，也就是音调变高了。而相反，如果你吹着笛子，远离他们，他们听见的音调可能就变成了“唻”。

明明只发出同样一个音，为什么随着吹奏者的运动，给听者的感受完全不一样？

其本质就是因为声音是一种波，我们称为声波。而是波就会有波长，对于声波来说波长越长，音调就越低，波长越短，音调也就越高。

声波是通过空气的震荡传到我们的耳中的。吹奏者作为一个声源，相当于就在空气中制造一个波，而要制造一个完整的波，先要制造一个波头，再制造一个波尾。

如果，吹奏者向聆听者靠近，波头制造出来时在一个位置，而波尾制造出来时相当于波头出来时的位置前进了一小段，而这段距离是要被算在新制造的波的波长里的。所以实际波长减小了，频率就增加了，体现出来的音调就变高了，反之亦然。

因此我们能得出一个结论，多普勒效应与一个信号源的移动速度相关，而在相对论里对于光速的描述也有一种重要结论，就是光速与光源运动无关。所以，光的多普勒效应并不会造成光速改变。那光的多普勒效应改变的是什么呢？

光的多普勒效应

光作为一种波，在恒定的速度下，遵循多普勒效应，频率与波长可以发生此消彼长的变化。

就像一个高个子和一个矮个子，两个人500米长跑比赛都同时到达终点，也就是说他们两个速度是一样的，但是由于高个子腿长步子大，他的换腿频率是低，而矮个子的腿短步子小，他的换脚频率就高。

步子和换腿频率，就相当于波长与振动频率。在同样的速度下，多普勒效应会导致光在不同波长及不同频率之间变化，在我们视觉上，表现出颜色的变化，这又被称为“多普勒-斐索效应”。这由法国物理学家斐索于1848年独立提出，它解释了来自恒星的波长偏移现象。利用这种效应也就成了测量恒星之间相对速度的一个有效办法。

“多普勒-斐索效应”也是造成我们最熟悉的“光谱红移”与“光谱蓝移”的原因之一，恒星远离即红移，恒星靠近即蓝移。总的来说，声音与光的多普勒效应，一个带来音调变化，一个带来了颜色变化。

值得注意的是，光谱红移除了“多普勒-斐索效应”，还有“宇宙膨胀”也可以造成同样的结果，然而它们的成因是完全不同的。“多普勒-斐索效应”是在光源移动发射出光的瞬间就完成的，而“宇宙膨胀”导致的红移，是在光传播过程中慢慢形成的。

所以，当年哈勃观察到星系退行，并认定是多普勒效应造成了星光红移的说法是错误的，不过它的结论却是正确的。

总结

简单来看，波速只和介质相关，光在真空中不需要介质，那它的速度就和任何东西无关。

光和时空，可能是宇宙中最神秘的东西。而探寻它们的关系，是物理学永远要探讨的课题。就像同样的元素，不同的空间结构组合方式，却能产生不一样的物质，这不得不让人称奇。

而光速不变背后最隐秘的成因，是值得后世科学家们一直探寻的终极话题。

多普勒效应适用于光吗

当你看到两张照片，一个是天真烂漫的小孩?，一个是步履蹒跚的老人?，你会认为这是两个完全不同的人。然而，如果告诉你，他们是同一个人，并且你读了这人的回忆录，在你的脑海里，这两张照片就会变得生动起来，它们分别是同一个人幼年和老年时的照片。

对于各种自然现象也是这样，首先看到的是它们的不同，后来借助具体的物理机制，将不同的现象联系了起来。不同的现象，只是同一事物在不同极限情况下的不同表现。

比如，声和光，既有相同之处，又有不同的地方，从而在有些时候具有不同的表现。相同，表明了自然界的统一；不同，则说明变化的不连续性。

声音是空气中的分子振动，声速表观上是分子振动的传播速度，而实质上是分子为维持其相对于空气势能的速度。所以，声速与其能量的大小和空气的密度相关。

光子是空间量子的激发态，光速表观上是量子空间能量的传播速度，但实质上是光子维持其相对于空间势能的速度。由于光子的静质量非常小，光子的能量主要是相对于空间的势能，所以光速表现为与其能量无关，而且相对于空间具有不变性。

由于光子的静质量极小且空间量子的密度极高，使得两个原本相似的声速和光速具有了不同的表现。声速可以与声源的速度叠加，而光速在远距离的情况下与光源的速度无关。只有在近距离的情况下，光速因为来不及变化，而与光源相关。此时，光速才和声速一样具有可叠加性。

至于多普勒效应，就是当声源运动时，声速也相应的发生了变化，从而使声音的频率显得与原来不同，即声源的速度与音调的变化成正比。

于是，如果近距离时，光速也与光源的速度相关，适用于多普勒效应。然而，如果远距离时（如对于星光来说），光速与光源的速度无关，就不再适用多普勒效应了。