多普勒效應(yīng)這個(gè)名字也許唬住了很多讀者，其實(shí)這是一個(gè)在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會見到的現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)聲源面向我們靠近的時(shí)候，我們聽到的聲音越來越高；反之，當(dāng)聲源漸漸遠(yuǎn)離我們，我們聽到的聲音就會越來越低。回想一下，一輛救護(hù)車或者警車不斷尖叫著向你駛來的場景，應(yīng)該會很容易理解這個(gè)現(xiàn)象。但就是這么一個(gè)簡單的事情，引起了物理學(xué)家多普勒的興趣，他對此研究發(fā)展出了自己的一套理論。另外，體檢過的讀者一定都對彩超機(jī)器不陌生，實(shí)際上，彩超所應(yīng)用的原理也是多普勒效應(yīng)。所以說，多普勒效應(yīng)與我們的生活息息相關(guān)。

我們的生活中充滿了這樣那樣的原理，雖然我們并不掌握這些原理，但并不影響我們的正常活動。舉個(gè)簡單的例子，每個(gè)人都有手機(jī)，手機(jī)上下載了各種各樣的APP，沒有幾個(gè)人真正了解APP應(yīng)用的原理，但這并不妨礙我們使用手機(jī)。因此人們覺得對這些原理了解與否，并沒有什么實(shí)質(zhì)性的改變。其實(shí)不然，當(dāng)你對一個(gè)原理了解越多的時(shí)候，你就會“活得明白”，而且還能增加一些小小的樂趣。

要了解多普勒效應(yīng)，首先需要知道多普勒是誰？

多普勒全名克里斯琴·約翰·多普勒，1803年出生于奧地利的薩爾茨堡。克里斯琴·多普勒家族并非科學(xué)世家，他們家族經(jīng)營石匠生意，而按照家族的傳統(tǒng)多普勒則理所當(dāng)然成了生意的接班人。但是多普勒從小體弱多病，這使得他免于承擔(dān)生意生的重任。試想一下，如果多普勒當(dāng)時(shí)繼承家族生意，那么世界上就會多一個(gè)毫不顯眼的石匠商人，而少了一顆璀璨的科學(xué)明珠。

    多普勒肖像圖

多普勒并非一開始就從事物理學(xué)研究，1829年他畢業(yè)于維也納大學(xué)，被任命為高等數(shù)學(xué)和力學(xué)教授的助理，在這段時(shí)間他發(fā)表了幾篇論文。但四年之后，他不知想起什么又跑到一家工廠當(dāng)會計(jì)，之后又來到布拉克一所技術(shù)中學(xué)擔(dān)任老師，同時(shí)還在布拉格理工學(xué)院任著兼職講師。1841年，教學(xué)出色的多普勒得到扶正，成為了理工學(xué)院的數(shù)學(xué)教授。

科學(xué)家的靈感有時(shí)候比小說家的靈感來的更加寫意和傳奇，巧合到無以復(fù)加，比如砸中牛頓的蘋果，夢見咬住自己尾巴的蛇的門捷列夫。多普勒研究多普勒效應(yīng)的靈感雖然沒有蘋果和蛇那么聞名，但同樣有趣。

那天是休息日，多普勒帶孩子出去玩。布拉格理工學(xué)院附近有一條鐵路，多普勒就帶孩子去那里散步。孩子們看著一列火車從遠(yuǎn)處開來，再呼嘯而去，拍手叫好。多普勒卻被這個(gè)現(xiàn)象給迷惑了，他在想為什么火車在靠近時(shí)笛聲越來越刺耳，在火車通過他們之后，聲調(diào)驟然降低。隨著火車快速地遠(yuǎn)去，笛聲響度則逐漸變?nèi)酰钡较АQ作常人，不會覺得這有什么稀奇。自然是發(fā)聲的物體距離我們越近，聲音越響亮啊。這似乎沒有什么值得關(guān)注和研究的。但就是這個(gè)再平常不過的現(xiàn)象吸引了多普勒的注意，笛聲聲調(diào)變化的原理是什么呢？他一直想著這個(gè)問題，都忘了自己是帶孩子出來玩，到天黑才回家。

后來，多普勒一直潛心研究這種現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對運(yùn)動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象。這就是著名的頻移現(xiàn)象。聲源和觀測者存在著相對運(yùn)動，當(dāng)聲源離觀測者而去時(shí)，聲波的波長增加，音調(diào)降低，當(dāng)聲源接近觀測者時(shí)，聲波的波長減小，音調(diào)升高。音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對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。

    彩超應(yīng)用就是多普勒效應(yīng)的原理

多普勒經(jīng)過更加細(xì)入的研究發(fā)現(xiàn)聲源完成一次全振動時(shí)會向外發(fā)出一個(gè)固定波長的波，頻率表示單位時(shí)間內(nèi)完成的全振動的次數(shù)，因此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)。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)。當(dāng)波源和觀察者有相對運(yùn)動時(shí)，完全波的個(gè)數(shù)也會相應(yīng)的增多或者減少，因此聲音的大小就會發(fā)生改變。到這里，多普勒徹底研究清楚了聲源和觀測者之間的關(guān)系，并得出一個(gè)公式來進(jìn)行計(jì)算。

但是多普勒雖然得出了結(jié)論，卻沒有來及實(shí)際驗(yàn)證。這個(gè)研究并非他的本職工作，不像今天的科研人員，在基金的資助下，只需要做實(shí)驗(yàn)就可以了。因?yàn)槎嗥绽招?yīng)的發(fā)現(xiàn)，他后來被委任為維也納大學(xué)物理學(xué)院第一任院長。從此工作越來越繁忙，加上他的身體抱恙，使得他騰不出精力來完善自己的研究。這之后沒多久，多普勒就在意大利的威尼斯去世。那一年，他剛剛49歲。

    紅移和藍(lán)移

多普勒效應(yīng)的應(yīng)用范圍之廣超乎人們的想象，文章開始提到一輛向我們駛來的救護(hù)車笛聲的改變只是多普勒效應(yīng)小小的展示。多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波。美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)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，他將這種現(xiàn)象稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。這也是多普勒效應(yīng)的一種應(yīng)用。通過多普勒效應(yīng)，哈勃得出了宇宙正在膨脹的結(jié)論。天文學(xué)家觀察到遙遠(yuǎn)星體光譜的紅移現(xiàn)象，可以計(jì)算出星體與地球的相對速度。我們生活中經(jīng)常可以見到移動信號基站，這些基站為手機(jī)發(fā)送信號，以完成人們通話和上網(wǎng)得需求。要知道移動信號基站的建設(shè)也考慮到了多普勒效應(yīng)。警方可用雷達(dá)偵測車速，也是多普勒效應(yīng)的應(yīng)用之一。

所以說，看似跟我們似乎毫不相關(guān)的多普勒效應(yīng)實(shí)際上影響著我們每一天的生活，還有我們的宇宙。

 

本作品為“科普中國-科技創(chuàng)新里程碑”原創(chuàng) 轉(zhuǎn)載時(shí)務(wù)請注明出處

 

多普勒效應(yīng)和我們的生活日常

圖文簡介

多普勒效應(yīng)這個(gè)名字也許唬住了很多讀者，其實(shí)這是一個(gè)在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會見到的現(xiàn)象。