不同條件的電磁輻射與多普勒效應(yīng)

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(yīng) 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(chǎn)生于單個(gè)帶電體：如原子的輻射躍遷、粒子輻射衰變、正反粒子對(duì)湮滅輻射、帶電高能粒子做變速運(yùn)動(dòng)的同步輻射等等，就統(tǒng)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(chǎn)生于人為設(shè)計(jì)的電磁諧振子，如人們用于各種信號(hào)傳遞的電磁波發(fā)射。這是由不同帶電單體構(gòu)成的復(fù)合電磁結(jié)構(gòu)形成的，也稱是復(fù)體輻射。 復(fù)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(gè)帶電體，稱是單體輻射源；形成復(fù)體輻射的復(fù)合電磁結(jié)構(gòu)，也稱是復(fù)體輻射源。單體輻射源與復(fù)體輻射源也統(tǒng)稱是輻射源。 我們知道，單體輻射與復(fù)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(hào)的電磁波就都是復(fù)體輻射。除了應(yīng)用及頻譜分布的有差異外，從物理學(xué)角度考察，它們還有如下三個(gè)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(yùn)動(dòng)頻率無關(guān)，其能量等于單體輻射源自身的能量變化；而復(fù)體輻射頻率與復(fù)體輻射源的運(yùn)動(dòng)頻率完全相等，其能量則等于復(fù)體輻射源從外界獲取的能量。 2、當(dāng)輻射源運(yùn)動(dòng)時(shí)：如帶電高能粒子做變速運(yùn)動(dòng)的同步輻射這樣，一次單體輻射只產(chǎn)生于單體輻射源運(yùn)動(dòng)的某個(gè)位置，即只與單體輻射源運(yùn)動(dòng)的某個(gè)瞬時(shí)時(shí)刻t相關(guān)；而一次復(fù)體輻射只能產(chǎn)生于復(fù)體輻射源運(yùn)動(dòng)的某個(gè)過程，因此一定是與復(fù)體輻射源運(yùn)動(dòng)的某個(gè)時(shí)間過程Δt相關(guān)。 3、輻射源運(yùn)動(dòng)都屬于慣性運(yùn)動(dòng)，由2就可以確定，當(dāng)輻射源運(yùn)動(dòng)時(shí)：單體輻射的振動(dòng)過程將不受單體輻射源慣性運(yùn)動(dòng)的影響，而復(fù)體輻射的振動(dòng)過程，則一定會(huì)受復(fù)體輻射源慣性運(yùn)動(dòng)的影響。 （二） 我們知道，在聲波的波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源運(yùn)動(dòng)要影響聲音頻，形成了所謂的多普勒效應(yīng)。在該理論中：如果用u表示波在靜止介質(zhì)中的傳播速度，取簡單情形，假定觀察者相對(duì)于介質(zhì)靜止，用vs表示波源相對(duì)于介質(zhì)的速度，便有如下兩種情形。 1、波源以速度vs相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)。如圖所示，當(dāng)波源從S1發(fā)出的某振動(dòng)狀態(tài)、經(jīng)過一個(gè)周期T的時(shí)間傳到位置A時(shí)，波源已運(yùn)動(dòng)到了S2（Δs=vsT），S2與A之間的距離即為此情形下介質(zhì)中的波長λb。從圖可知，此時(shí)介質(zhì)中聲波的波長被壓縮了，實(shí)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(yùn)動(dòng)。同樣容易分析，由于波長要被拉伸，觀察者在A處實(shí)際接受到的聲波頻率f b = fu /(u + vs)；fb ＜ f，頻率變低。 波源運(yùn)動(dòng)也是慣性運(yùn)初。多普勒效應(yīng)與觀測結(jié)果是一致的。這一事實(shí)也表明：波源慣性運(yùn)動(dòng)要影響聲波頻率的多普勒效應(yīng)是正確的。 （三） 由于多普勒效應(yīng)的成功，于是我們自然就會(huì)有這樣的類推：光也是波，因此我們接受到的光波波長也會(huì)因?yàn)楣庠催\(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。也取簡單情形，當(dāng)我們相對(duì)于光傳播的空間靜止時(shí)：光源向著我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測到的光波波長被壓縮，頻率變高（蘭移）；光源離開我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測到的光波波長被拉伸，頻率變低（紅移）。如此根據(jù)光波紅（藍(lán)）移的程度，就還可以計(jì)算出光源相對(duì)于我們運(yùn)動(dòng)的速度大小。 但如本文（一）所述，對(duì)不同條件的電磁輻射，輻射源的慣性運(yùn)動(dòng)對(duì)電磁輻射的影響并不相同，上述對(duì)光波多普勒效應(yīng)的認(rèn)識(shí)并不完全符合電磁輻射的如下實(shí)際： 1、對(duì)單體輻射。如果單體輻射源是運(yùn)動(dòng)的，由于單體輻射只與單體輻射源運(yùn)動(dòng)的某個(gè)瞬時(shí)時(shí)刻t相關(guān)，單體輻射不受單體輻射源慣性運(yùn)動(dòng)的影響；因此在上圖的表示中，一次單體輻射要么只在S1產(chǎn)生，要么或在S2產(chǎn)生，決不可能是從S1到S2的過程中產(chǎn)生，多普勒效應(yīng)當(dāng)然也就決不可能發(fā)生。 2、對(duì)復(fù)體輻射。如果復(fù)體輻射源是運(yùn)動(dòng)的，由于輻射一定與復(fù)體輻射源運(yùn)動(dòng)的某個(gè)時(shí)間過程Δt相關(guān)，復(fù)體輻射的振動(dòng)過程也必然受復(fù)體輻射源的慣性運(yùn)動(dòng)影響，因此在上述圖的表示中，一次復(fù)體輻射也就一定實(shí)現(xiàn)于從S1到S2的過程，這就會(huì)影響到我們觀測到的電磁輻射頻率，有多普勒效應(yīng)發(fā)生。 另外還有一種情形：對(duì)可見光的反射，如果反射面是運(yùn)動(dòng)的，在不同時(shí)間，相同頻率光的反射點(diǎn)會(huì)處于不同位置，這樣相同頻率光就具有了是在其運(yùn)動(dòng)過程中反射的效果，因此也就會(huì)觀測到光反射中與多普勒效應(yīng)相類似的現(xiàn)象。 由于我們觀測的光都是單體輻射，由上述1的認(rèn)識(shí)就可以確定：在沒反射面運(yùn)動(dòng)的條件下，可見光決不可能有多普勒效應(yīng)發(fā)生。 現(xiàn)代宇宙學(xué)研究普遍認(rèn)為：宇宙光譜紅移就產(chǎn)生于多普勒效應(yīng)。由于用于宇宙學(xué)觀測的可見光也屬于單體輻射，因此上述認(rèn)識(shí)的一個(gè)特別重大的意義是：宇宙星系光譜紅移現(xiàn)象并非產(chǎn)生于多普勒效應(yīng)。 容易理解，只要用實(shí)驗(yàn)證明了運(yùn)動(dòng)粒子或原子輻射的可見光，只與它們的某一位置有關(guān)，與它們的運(yùn)動(dòng)過程無關(guān)，也就驗(yàn)證了可見光并非有多普勒效應(yīng)。 即證明上述關(guān)于宇宙星系光譜紅移并非多普勒效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并不十分復(fù)雜。