多普勒频移
波的拉伸

汽车引擎声是什么样的？这个嘛，还得看你听的时候在哪儿！如果你坐在车内，而且有时间仔细听，你会听到引擎发出连续不断的嗡嗡声。其实那是一种沉闷的声响，因为现在的汽车制造商想尽办法让人听不到引擎的声音。

不过，如果你坐在路旁，从你面前开过的车发出的声音就不同了。如果车是向你驶来的，那它的声音会很尖锐，但是车经过你的那一瞬间以及之后越开越远的阶段，它的声音会从高音降为低音。喂咿——嗡嗡隆隆——！如果你搭过便车，你一定听到过好多次这种声音！你会听到声音的音调不同的原因，就是所谓的多普勒效应。各种各样的波都会发生多普勒效应。

不过，用声波来举例，理解起来更简单，因为声波其实就是空气在有节奏地压缩。在绝对安静的环境中，各处的空气压力均等。但只要某处与别处气压稍有不同，它们之间的压差就会导致空气不稳定，像波浪一样向外扩散。我们视为声音的就是这种压力波，其频率越高，我们听到的音调就越高。

振动的机械及其声音

究竟为什么一辆车的引擎会发出噪声？这样一台机械由很多活动部件组成，每当引擎发动，许多部件就会振动。如果一块振动的金属与空气接触了，它就会让空气也振动。这样一来，它会每几分之一秒就对周围的空气产生一点点压力。

我们听到某种声音时，那就是空气经过高压—低压—高压—低压如此反复交替，到达了我们的耳朵。如我们之前提到的，波长越短，即空气在高低压之间的变化越快，我们听到音调就越高。通常情况下，如果某机械以特定频率振动，那么我们就会听到完全相同频率的声音。

那么，机械移动的时候会发生什么呢？

移动的声波被拉长了——音调随之降低

发生的事就是声波不会以同样的频率向每个方向移动。引擎向哪里移动，那个方向上的波就是压缩的。相反方向上的波就会被拉长。所以，如果发出噪声的机械向我们靠近，它就会压迫它前方的声波。那么到达我们耳朵的就是波长较小的波，这意味着波的频率更高，也就是说音调比较高。从另一方面说，如果机械远离我们，到达我们耳朵的空气波就会稍稍拉长——波长更长，频率也就更低。我们就听到了比较低的音调。

要是机械从我们身边经过呢？那么我们就能听到典型的汽车引擎声，或者迅速驶过的警车鸣笛声：声音先高后低，以与我们平行的位置为切换节点。

光的多普勒效应

移动的声音可能人人都体验过，但是你知道这多普勒效应适用于所有其他类型的波——尤其是光波吗？更有趣的是，我们甚至可以用多普勒效应测量太阳的温度或者太阳的转速！

如果一个人有非常精确的测量手段，他确实可以这么做。你看，一般来说太阳相当热，太阳会向我们发出大量电磁辐射，它们的频率也各不相同。这就是在我们看来太阳近乎白色的原因：太阳的光包含了光谱中的所有颜色。

如果一个人看得非常仔细，他就会发现有些特定的频率丢失了！太阳光谱中的这些暗线，就是所谓的夫琅禾费线，物理学家早就发现它们的存在了，但之后过了一百多年他们才明白其存在（或者说缺失）的原因。有些频率消失了，那是因为它们刚巧与一些光子是对应的，这些光子的能量刚好足够太阳的氢（和其他）原子中的能量进行量子跃迁（即变为新的能量状态）。对于这些频率的光，太阳中的等离子体是完全不透明的；而对于其他颜色的光，它却是基本透明的。

太阳有多热？

现在，想象一下太阳中的氢原子并非静静地待在原地，而是会移动的！而且它们越移动，温度越高。虽然一个静止的氢原子需要被频率正好的光子击中才能吸收它，但如果这颗原子在这一秒钟内正朝着辐射方向移动，那么光子的频率可以稍低一些。由于多普勒效应，移动的原子会看到一个“音调”稍高的光子，也就是说它的能量稍高一点。

这说明什么？这说明在太阳的光谱中，与氢原子中的量子跃迁相对应的并非只有那些消失的频率，还有稍低和稍高的频率。因为多普勒效应，这些频率也被屏蔽在外了！所以有人说，夫琅禾费线的宽度是一定的，而太阳越热，它的宽度就越大——太阳温度越高，氢原子的运动速度越快，多普勒效应就越激烈。

夫琅禾费线不仅可以变得更宽，还能移动！你看，太阳并非静止不动的，它会围绕它的轴旋转。它的赤道转一圈大概要25天。这就是说，如果你盯着从太阳右侧边缘射来的光看，夫琅禾费线将被移动到较低的频率，而来自左侧边缘的光则将会让夫琅禾费线移动到较高的频率。这种情况的发生还是因为多普勒效应：来自太阳上远离我们部分的光频率较低——就像汽车驶离我们一样。有人称之为红移。因此，来自太阳另一侧边缘的光被称为蓝移。

人马座A*：多普勒效应证实的超重黑洞

史上第一次证明我们的银河系中央有一个黑洞，用的也是多普勒效应。你看，在我们的银河系中央区域，有许多恒星围着共同的中心进行轨道运动。我们之所以知道这个，是因为我们可以看到它们发射到地球的微波辐射。又因为某些辐射是蓝移，有些辐射是红移，我们还能知道它们的轨道运动速度如何。20世纪70年代，人们发现这些恒星旋转得非常快，一定是绕着一个质量超大的物体旋转才对——这个物体的质量实在是太大了，没有哪个普通的恒星能在它的重量下保持稳定。

如今，关于银河中心这个超大质量黑洞——也叫人马座A*，我们知道了更多的情况，特别是它的质量是我们太阳的四百多万倍。原来我们观察到的多普勒效应就是因为它呀！