不同條件的電磁輻射與多普勒效應

貼一篇看的不太懂的科普文章——                          不同條件的電磁輻射與多普勒效應 作者 茍文儉 本文所述的電磁輻射，都是帶電體通過真空的一次能量傳遞，所述的不同條件指如下兩種情形： 1、通過真空的一次能量傳遞產生于單個帶電體：如原子的輻射躍遷、粒子輻射衰變、正反粒子對湮滅輻射、帶電高能粒子做變速運動的同步輻射等等，就統稱是單體輻射。 單體輻射包括了紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等等，有很寬的頻譜，屬于電磁波譜的高頻端部分。 2、通過真空的一次能量傳遞產生于人為設計的電磁諧振子，如人們用于各種信號傳遞的電磁波發射。這是由不同帶電單體構成的復合電磁結構形成的，也稱是復體輻射。 復體輻射包括了長波、中波、短波、超短波，也有較寬頻譜，但與單體輻射不同，它占有的是電磁波譜的低頻端部分。 （一） 形成單體輻射的單個帶電體，稱是單體輻射源；形成復體輻射的復合電磁結構，也稱是復體輻射源。單體輻射源與復體輻射源也統稱是輻射源。 我們知道，單體輻射與復體輻射都屬于電磁輻射，人們直接用于觀察的可見光就是單體輻射，而直接傳遞各種信號的電磁波就都是復體輻射。除了應用及頻譜分布的有差異外，從物理學角度考察，它們還有如下三個重要差異： 1、如原子的輻射躍遷這樣，單體輻射頻率與單體輻射源的運動頻率無關，其能量等于單體輻射源自身的能量變化；而復體輻射頻率與復體輻射源的運動頻率完全相等，其能量則等于復體輻射源從外界獲取的能量。 2、當輻射源運動時：如帶電高能粒子做變速運動的同步輻射這樣，一次單體輻射只產生于單體輻射源運動的某個位置，即只與單體輻射源運動的某個瞬時時刻t相關；而一次復體輻射只能產生于復體輻射源運動的某個過程，因此一定是與復體輻射源運動的某個時間過程Δt相關。 3、輻射源運動都屬于慣性運動，由2就可以確定，當輻射源運動時：單體輻射的振動過程將不受單體輻射源慣性運動的影響，而復體輻射的振動過程，則一定會受復體輻射源慣性運動的影響。 （二） 我們知道，在聲波的波源運動時，波源運動要影響聲音頻，形成了所謂的多普勒效應。在該理論中：如果用u表示波在靜止介質中的傳播速度，取簡單情形，假定觀察者相對于介質靜止，用vs表示波源相對于介質的速度，便有如下兩種情形。 1、波源以速度vs相對于觀察者運動。如圖所示，當波源從S1發出的某振動狀態、經過一個周期T的時間傳到位置A時，波源已運動到了S2（Δs=vsT），S2與A之間的距離即為此情形下介質中的波長λb。從圖可知，此時介質中聲波的波長被壓縮了，實際A處波的波長λb = λ- vsT，觀察者在A處接受到的聲波頻率f b = fu /(u - vs)；fb ＞ f，頻率變高。 2、波源以速度vs離開觀察者運動。同樣容易分析，由于波長要被拉伸，觀察者在A處實際接受到的聲波頻率f b = fu /(u + vs)；fb ＜ f，頻率變低。 波源運動也是慣性運初。多普勒效應與觀測結果是一致的。這一事實也表明：波源慣性運動要影響聲波頻率的多普勒效應是正確的。 （三） 由于多普勒效應的成功，于是我們自然就會有這樣的類推：光也是波，因此我們接受到的光波波長也會因為光源運動發生變化。也取簡單情形，當我們相對于光傳播的空間靜止時：光源向著我們運動時，觀測到的光波波長被壓縮，頻率變高（蘭移）；光源離開我們運動時，觀測到的光波波長被拉伸，頻率變低（紅移）。如此根據光波紅（藍）移的程度，就還可以計算出光源相對于我們運動的速度大小。 但如本文（一）所述，對不同條件的電磁輻射，輻射源的慣性運動對電磁輻射的影響并不相同，上述對光波多普勒效應的認識并不完全符合電磁輻射的如下實際： 1、對單體輻射。如果單體輻射源是運動的，由于單體輻射只與單體輻射源運動的某個瞬時時刻t相關，單體輻射不受單體輻射源慣性運動的影響；因此在上圖的表示中，一次單體輻射要么只在S1產生，要么或在S2產生，決不可能是從S1到S2的過程中產生，多普勒效應當然也就決不可能發生。 2、對復體輻射。如果復體輻射源是運動的，由于輻射一定與復體輻射源運動的某個時間過程Δt相關，復體輻射的振動過程也必然受復體輻射源的慣性運動影響，因此在上述圖的表示中，一次復體輻射也就一定實現于從S1到S2的過程，這就會影響到我們觀測到的電磁輻射頻率，有多普勒效應發生。 另外還有一種情形：對可見光的反射，如果反射面是運動的，在不同時間，相同頻率光的反射點會處于不同位置，這樣相同頻率光就具有了是在其運動過程中反射的效果，因此也就會觀測到光反射中與多普勒效應相類似的現象。 由于我們觀測的光都是單體輻射，由上述1的認識就可以確定：在沒反射面運動的條件下，可見光決不可能有多普勒效應發生。 現代宇宙學研究普遍認為：宇宙光譜紅移就產生于多普勒效應。由于用于宇宙學觀測的可見光也屬于單體輻射，因此上述認識的一個特別重大的意義是：宇宙星系光譜紅移現象并非產生于多普勒效應。 容易理解，只要用實驗證明了運動粒子或原子輻射的可見光，只與它們的某一位置有關，與它們的運動過程無關，也就驗證了可見光并非有多普勒效應。 即證明上述關于宇宙星系光譜紅移并非多普勒效應的實驗，并不十分復雜。