形成谱线红移的原因?(简单介绍一下距离效应多普勒效应和康普顿效应)

  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。

  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。)

  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。