宇宙是什么樣的呢？這是和“我是誰？”、“我從哪來？”是同等高度的問題，從古至今，人們都沒有停止對(duì)宇宙外太空的探索，從古時(shí)候的仰望星空，到如今的航空事業(yè)，無不說明了這一點(diǎn)。

宇宙是方的還是圓的？有沒有界限？是不是像人類一樣，也會(huì)不斷地長(zhǎng)大膨脹？還是慢慢縮小，或是保持不變？相信這曾是前人腦海中浮現(xiàn)出的一個(gè)又一個(gè)問題中的幾個(gè)。

現(xiàn)在我們知道宇宙是膨脹的，就像吹氣球一樣，一點(diǎn)點(diǎn)地脹大鼓起來，時(shí)不時(shí)地也加個(gè)速，比如138億年前宇宙大爆炸的那一瞬間，一秒都不到的時(shí)間，宇宙飛速膨脹！有時(shí)也會(huì)放緩速度，宇宙像個(gè)頑皮的孩子，隨著性子，或是快或是慢的成長(zhǎng)著。

 

 

怎么知道宇宙是膨脹的，又怎么測(cè)量它是加速了還是減速了呢？膨脹是由美國(guó)天文學(xué)家哈勃最早觀測(cè)出來的，1929年，埃德溫?哈勃發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的星系似乎正遠(yuǎn)離我們而去。

為此，哈勃還提出了體積的概念，什么是哈勃體積呢？哈勃假設(shè)出一個(gè)球形的氣泡，你站在氣泡的中心，在氣泡包圍的區(qū)域內(nèi)，所有的物體都會(huì)遠(yuǎn)離你而去，離去的速度小于光速；而在哈勃體積之外的所有物體遠(yuǎn)離你則會(huì)超過光速。

 

 

尋常生活中，最直觀的事情莫過于觀察，眼見為實(shí)，然而，很多時(shí)候在物理學(xué)中眼睛會(huì)欺騙你，你親眼所見的并非是真實(shí)的。比如，下圖兩根線哪條更長(zhǎng)一些呢？

 

 

所以，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)者并不會(huì)說，我觀察到的是這樣，所以就是這樣，會(huì)有相應(yīng)的理論支持，而支持宇宙膨脹的理論就是多普勒效應(yīng)。

別看名字很難懂，其實(shí)解釋起來很簡(jiǎn)單。就是因?yàn)檎裨春陀^察者之間有著相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的的，這樣觀察者聽到的聲音頻率和振源頻率是不同的。假設(shè)振源是聲源，當(dāng)它向我們靠近時(shí)，我們聽到的聲音越來越高；而當(dāng)它逐漸遠(yuǎn)去，我們聽到的聲音就會(huì)越來越低。生活中這樣的例子比比皆是：一輛救護(hù)車或者警車從旁邊呼嘯而過，聲音都是由刺耳變得越來越弱。音調(diào)的變化同聲源與觀測(cè)者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越明顯，這就是多普勒效應(yīng)的定義。

一說多普勒效應(yīng)，看過生活大爆炸的人會(huì)忍不住咧起嘴角。里面有個(gè)怪才——物理學(xué)家謝耳朵（謝爾頓），有一集講的是化裝舞會(huì)上，謝耳朵選的是“多普勒效應(yīng)”禮服，卻被所有人當(dāng)做斑馬服。Sheldon衣服上的白色小圓點(diǎn)代表著觀察者，黑白條紋示意波形，仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)靠近白色圓點(diǎn)的位置，黑白條紋越變?cè)郊?xì)，遠(yuǎn)離圓點(diǎn)，黑白條紋變粗了，模擬著波形的頻率。

 

 

所有的波動(dòng)現(xiàn)象都存在多普勒效應(yīng)，無論是電磁波，還是光波。而埃德溫·哈勃正是利用波的多普勒效應(yīng)得出“宇宙正在膨脹”的結(jié)論的。在運(yùn)動(dòng)的波源之前，波被壓縮，波長(zhǎng)變短，頻率變高；運(yùn)動(dòng)波源之后，則會(huì)發(fā)生相反的現(xiàn)象：波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低。應(yīng)用到宇宙之中就是遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，當(dāng)天體離開銀河系的速度越來越快的時(shí)候，紅移越大相反地，如果天體正移向銀河系，則光線會(huì)發(fā)生藍(lán)移。根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，科學(xué)家們還能計(jì)算出星波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度。

紅移增加的比例與距離成正比，這一關(guān)系為宇宙在膨脹的觀點(diǎn)提供了有力的支持，包括大爆炸宇宙模型。其實(shí)，最初的時(shí)候紅移是在可見光波段中被發(fā)現(xiàn)的，后來人們對(duì)電磁波譜各個(gè)波段都有所了解，任何電磁輻射的波長(zhǎng)都被稱為紅移。即使有些紅移是真的：比如γ射線、X-射線和紫外線等波段，波長(zhǎng)變長(zhǎng)確實(shí)是波譜向紅光移動(dòng)，有些紅移卻不那么名副其實(shí)：對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線、微波和無線電波等波段，盡管波長(zhǎng)增加實(shí)際上是遠(yuǎn)離紅光波段，但還是被人們稱為“紅移”。

多普勒效應(yīng)是怎么被發(fā)現(xiàn)的，又怎么會(huì)叫這么個(gè)怪名字呢？原來，它之所以得名是因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)者叫做多普勒，全名克里斯琴·約翰·多普勒。多普勒1803年出生于奧地利的薩爾茨堡一個(gè)經(jīng)營(yíng)石匠生意的家族。1929年，多普勒畢業(yè)于維也納大學(xué)，成為高等數(shù)學(xué)和力學(xué)教授的助教。1841年，因?yàn)槌錾墓ぷ髂芰υ偌由蠋灼撐牡闹ΓD(zhuǎn)為理工學(xué)院的數(shù)學(xué)教授。

生活中的多普勒教授是位熱衷于思考的人，一個(gè)休息日，他帶著孩子出去玩，走到了布拉格理工學(xué)院附近有一條鐵路附近，孩子們看到嗚嗚嗚冒著煙的火車由遠(yuǎn)而近，覺得很有意思，拍手歡呼。

多普勒也被呼嘯而過的火車吸引住了，他很好奇，為什么火車靠近時(shí)笛聲越來越刺耳，在火車通過他們之后，聲調(diào)逐漸降低了。這在生活中是很常見的現(xiàn)象，但是多普勒喜歡打破沙鍋問到底，是什么導(dǎo)致的笛聲聲調(diào)高低變化的呢？

雖然那天并沒有思考出什么結(jié)果，但是多普勒一直沒有放棄對(duì)這種現(xiàn)象的研究，直至頻移現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)：振源與觀察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使觀察者聽到的聲音頻率與振源頻率不同，前文已經(jīng)全面闡釋過。

經(jīng)過更加細(xì)入的研究，多普勒發(fā)現(xiàn)聲源每完成一次全振動(dòng)就會(huì)向外發(fā)出一個(gè)固定波長(zhǎng)的波，那么，波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)（頻率表示單位時(shí)間內(nèi)完成的全振動(dòng)的次數(shù)）。因此，觀察者聽到的聲音音調(diào)，就是觀察者接收到的頻率，即單位時(shí)間接收到的完全波的個(gè)數(shù)。所以，精益求精的多普勒不僅弄清了聲源變化的原因，還研究出了聲源和觀測(cè)者之間的關(guān)系，并能用公式來計(jì)算表示。

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宇宙膨脹 該怎樣去理解你

圖文簡(jiǎn)介

多普勒發(fā)現(xiàn)聲源每完成一次全振動(dòng)就會(huì)向外發(fā)出一個(gè)固定波長(zhǎng)的波，那么，波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)。