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贺新年解析天文学带你鉴赏天体红移和蓝移本质

1已有 508 次阅读  2015-01-01 07:41

贺新年解析天文学带你鉴赏天体红移和蓝移本质

解析天文学网络公开课

第十二讲:天体红移和蓝移本质

周坚/201511

公开课视频(优酷)http://v.youku.com/v_show/id_XODYwODIzNDI4.html

公开课视频(土豆)http://www.tudou.com/programs/view/R9oPWrD8DXI/

 

在上一讲中,我们让大家在迎接2015年新年到来之际,欣赏了拉扯橡皮筋实验,从实验显示的结果来看,在实验室中拉扯橡皮筋的自然规律,似乎与天体红移和蓝移的观测规律,在表现形式上完全雷同。

我们知道,夜空中那一个个闪闪发光的星体,离我们非常遥远,我们来到这个世界只有一次,不容易啊,因此我们真的很想知道它们到底距离我们有多远,等等。遗憾的是我们不可能用皮尺去丈量它们,我们观测它们的直接观测数据就只有它们的亮度、红移和光谱类型,其它观测数据都是间接拼凑而来的。

今天是2015年元旦,是新年,我们能否借鉴拉扯橡皮筋的自然规律来认识天体的红移和蓝移呢?为了庆祝新年,我们应该勇敢地去尝试一下。对!尝试一下,不等了,我们现在就开始做这个拉扯橡皮筋类比天体红移和蓝移实验,详细实验情况参看图12-1解析天文学让你鉴赏拉扯橡皮筋实验示意图。

§12.1 拉扯橡皮筋类比天体红移和蓝移实验

实验步骤1:取一段标有固定单位距离刻度的橡皮筋,让它自然伸展成一条直线,并将这个单位距离刻度定义为原始单位距离刻度,用符合“λ0”表示。

但在类比实验中,这个原始单位距离刻度就就类比为星系辐射光的原始波长,而星系就设定在橡皮筋的中心,而两头就是相对的两个观测者在观测这个星系。

实验步骤2:我们拉住橡皮筋的两头向相反方向拉扯,让橡皮筋做拉伸运动,在这个拉伸过程中,随着拉伸距离的不断增大,我们会看到原单位距离刻度会随之变长。在这个我们设定拉伸距离为r,变长的单位距离刻度为λ。

但在类比实验中,这个变长的单位距离刻度λ就类比为星系辐射光传播到观测者面前的波长λ,而这个拉伸距离r就类比为星系辐射光传播到观测者面前的传播距离r,其中,光的传播速度是光速c

实验步骤3:在橡皮筋做拉伸运动的过程中,我们抓住橡皮筋的中心向右拉扯,然后再观察测量它们相对方向的变化情况。

但在类比实验中,我们抓住橡皮筋的中心向右拉扯,就类比为星系以υ的速度向右运动,而运动就会产生多普勒红移和蓝移,辨别它们的就看它们是背离还是朝向观测者运动了。

实验步骤4:在橡皮筋做拉伸运动的过程中,我们抓住橡皮筋的中心向右进一步强烈地拉扯,然后再观察测量它们相对方向的变化情况。

但在类比实验中,我们抓住橡皮筋的中心向右进一步强烈地拉扯,就类比为星系更大的速度υ向右运动,而运动就会产生多普勒红移和蓝移,就更大。

实验步骤5:在橡皮筋做拉伸运动的过程中,我们抓住橡皮筋的中心向左拉扯,然后再观察测量它们相对方向的变化情况。

但在类比实验中,我们抓住橡皮筋的中心向左拉扯,就类比为星系以υ的速度向左运动,而运动就会产生多普勒红移和蓝移,辨别它们的就看它们是背离还是朝向观测者运动了。

实验步骤6:在橡皮筋做拉伸运动的过程中,我们抓住橡皮筋的中心向左进一步强烈地拉扯,然后再观察测量它们相对方向的变化情况。

但在类比实验中,我们抓住橡皮筋的中心向左进一步强烈地拉扯,就类比为星系更大的速度υ向左运动,而运动就会产生多普勒红移和蓝移,就更大。

§12.2实验结果

通过上述实验的实际观察和测量,我们发现如下实验结果:

1、当我们将橡皮筋原始固定单位距离刻度λ类比为光传播原始波长,做拉伸运动后变化的单位距离刻度 λ类比为光传播后的波长,那么光传播的相对变化量就为 (λ-λ0)/λ用符合“z”来表示,这就是红移定义式 z=(λ-λ0)/λ0

2、当我们将橡皮筋拉伸距离为 r 类比为光传播距离,那么就有 r=Z0z= Z0(λ-λ0)/λ0,其中Z0是比例常数。

3、在解析天文学中,这个这个红移就是那个周坚定律中的那个,光(电磁辐射)在传播过程中的传输波长随传播距离增大有规律地向红端发生自然位移现象,称之为周坚效应所对应的相对变化量,它称之为周坚红移,而距离与红移成正比的关系式就是那个周坚定律在近距离情况下的数学表达式,其中的比例常数就是周坚定律中的周坚常数,它等于13,77,980,862.5686光年,近似为137.72亿光年。

4、我们设定观测到天体的红移称之为观测红移zg,由周坚效应产生的红移称之为周坚红移zz,由多普勒效应产生的红移称之为多普勒红移zd,那么就有zg=zz+zd这样的红移关系。

5、我们知道,依据周坚定律,光传播距离为“0”,即光还没有开始传播,其周坚红移就是“0”,而当光传播距离为周坚常数Z0的时候,周坚红移就达到“∞”(无限大),对应天体自身运动而言,天体自身运动的速度是有限的,由多普勒效应产生的多普勒红移或多普勒蓝移都是有限的,因此,我们在观测近距离天体的时候,就会观测到近距离天体即有红移又有蓝移现象出现,而在观测远距离天体的时候,那就只能观测到红移现象,道理就是这么简单。

这个类比实验结果就揭示了天体红移和蓝移本质的自然规律。

 

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