托馬斯小火車的鳴笛聲中，竟然隱藏着宇宙的秘密？_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-07-21 15:08
原創：中科院物理所
有一天夜晚（應該很晚了），在牀上扣手機的我，竟然聽到了遠方傳來了“托馬斯”小火車的鳴笛聲，是那樣的悠揚、婉轉、尖鋭、雄渾。
托馬斯給我衝！！！
抑揚頓挫，結果就更睡不着了。
這是動圖啊喂
不對，等一下。鳴笛音調貌似在變，音調先是變高，後來隨着遠去，音調又變低了！這怎麼就變了呢？（小編耳朵應該沒什麼問題的吧）
於是小編夢中驚坐起，開始查閲資料。這一查不要緊，雖然這可能僅僅是高中學過的多普勒效應，但是我卻發現了其中竟然隱藏着宇宙的秘密~
我要泄露天機了，各位朋友請緊張的往下看！！！
這是為什麼？
Why？
明明只是普通的“托馬斯”小火車鳴笛聲，“音調”是如何發生改變的呢？
直到我又一次在街上聽到了“救護車”的聲音，它經過我的時候，音調也發生了由高到低的過程，但是它停下等紅燈的時候，音調卻基本不會變化。
那麼，
是運動，讓他產生了這種變化。
最早觀察到這一現象的人是奧地利數學家和物理學家多普勒。在他38歲的時候，向皇家波西米亞科學協會做了一個演講，隨後發表了他最著名的作品—《在雙星和其他一些恆星的彩色光線上》。[1]
封面圖
多普勒在其中提出了他的假設（也就是後來的多普勒效應）：觀察到的波的頻率取決於波源和觀察者的相對速度。而同時，法國物理學家斐索也參與了多普勒效應的發現，這個效應在法國被稱為多普勒-斐索效應。
多普勒效應，又叫多普勒頻移。其實質可以由下面的動圖直觀的來理解：
來源：維基百科
這個也就是汽車鳴笛的例子。當汽車不動時，汽車前後方站着的人收到的頻率是一樣的；當汽車向着你移動時（也就是你在上圖的左手邊），由於後一個波峯更靠近觀察者，使得每一個波到達觀察者的時間都在減少（距離變小）；相反的，當汽車揹着你移動時（也就是你在上圖的右手邊），由於後一個波峯相對觀察者來説更遠，使得每一個波到達觀察者的時間都在增加（距離變大）。
來源：維基百科
也就是上圖右邊波密，左邊稀疏。那麼也就是對應着**右邊頻率高，“音調”高；**左邊頻率低，“音調”低。
有趣的是，荷蘭化學家和氣象學家白貝羅在1845年讓一隊喇叭手站在一輛從荷蘭烏德勒支附近疾駛而過的敞篷火車上吹奏，他在站台上測到了音調的變化。[2] 這也是一個非常有趣的物理實驗。
還有一個與多普勒效應有關的經典笑話：
一司機開車闖紅燈被交警抓到，交警要開罰單。司機辯解道：“是因為車朝着紅燈開，由於多普勒效應紅光移動成了綠光，導致我看成了綠燈。”
交警：“我在寫超速罰單。”（大笑）
隱藏着怎樣的宇宙奧秘？
What kind of secret?
多普勒效應應用範圍甚廣，不僅僅是聲波，對於電磁輻射也同樣適用。
最早窺探到宇宙秘密的人其實不是我們熟知的哈勃，而是維斯托·梅爾文·斯里弗，這位美國天文學家。於1912年首次在星系的譜線中發現了紅移。[3]
來源：維基百科
先不要慌，紅移也可能與開頭説到的多普勒效應有關。
謝耳朵也表示有興趣
上面説到，當波源遠離觀察者時，頻率會降低，相應的，波長就會增加。顯示出光譜在向紅色區域移動；相應的，當波源向觀察者移動時，頻率就會增加，波長減小，被稱為藍移或者負紅移。[4]
來源：NASA
在電磁波譜的可見部分（可見光），藍光具有最高頻率，紅光具有最低頻率。當可見光向較高頻率或向光譜的藍端移動時使用術語藍移，並且當光向較低頻率或向光譜的紅端移動時使用術語紅移。
紅移和藍移仍然用於描述頻譜的任何部分中的多普勒頻移。例如，如果無線電波轉移到光譜的紫外線部分，我們仍然會説光線紅移 - 向低頻移動。
隨後，哈勃等人首次測量了銀河系外的星系的紅移與藍移，並且哈勃發現紅移增加與星系距離之間有着某種線性關係，理論物理學家意識到，這種關係可以通過愛因斯坦廣義相對論方程中產生紅移的機制來解釋。並最終整理出了簡單的數學表達式-哈勃定律：
通俗地説，哈勃定律揭示了宇****宙在膨脹，而且距離越遠，膨脹速度越大。[5] 基於哈勃的偉大貢獻，最大且最被人熟知的太空望遠鏡也以他的名字命名—哈勃太空望遠鏡。
來源：維基百科
宇宙中大多數物體的光線在地球上看都是紅移的，這是因為我們的宇宙正在擴張。只有少數行星和一些附近的恆星等物體，才會觀察到藍移。當空間中的物體向我們移動或者遠離我們時，吸收或發射線的波長將不同於物體不移動時的波長（相對於我們）。
來源：cool cosmos
這些線的波長的變化可以用於計算物體的紅移，紅移定義為光的波長變化初一光源不移動時所具有的波長（稱為靜止波長）。
紅移=（觀察到的波長 - 靜止波長）/（靜止波長）[6]
與開普勒什麼關係？
What is the relationship with Kepler?
開普勒和多普勒都叫“普勒”，而且都有一個相同的職業數學家，導致好多人有點分不清。但是兩個人研究的東西可是大不相同，而且開普勒比多普勒早了大約整整兩個世紀（爺爺的爺爺叫什麼？）。
開普勒是德國天文學家、數學家和天文學家。他還是17世紀科學革命史上的關鍵人物。
現在大家耳熟能詳的牛頓與他的蘋果的故事提出的萬有引力定律的一個基礎就是開普勒最著名的工作—開普勒行星運動的三大定律。分別是：
軌道定律：行星軌道是橢圓形，太陽位於兩個焦點之一
面積定律：連接行星和太陽的線段在相等時間間隔內掃過的面積相等
週期定律：行星軌道週期的平方與其軌道的半長軸的立方成正比
由於這三大行星運動定律，開普勒又被稱為“天空立法者”。[7][8]
所以兩個“普勒”其實沒有多大的關係，希望看了這個文章的小夥伴們，以後要分清楚哦！
之後，如果在聽到”托馬斯“小火車的鳴笛聲（或者其他什麼移動的聲音），你不僅知道了其中的物理原理，你還發現了隱藏在其中的宇宙的秘密（興奮）！！！
部分圖片來源於網絡
參考資料：
[2]多普勒效應-維基百科
[5]Hubble’s law
[6]redshift
[7]開普勒-維基百科