既然有光速不變原理,為什麼還有光的都卜勒效應呢?

2020-12-04 科學探索家

光速不變原理、光的都卜勒效應這兩者不存在矛盾關係,恰恰相反正是有了光速不變原理,才有了狹義相對論,之後才有了光的都卜勒效應的解釋。

都卜勒效應這個詞我們並不陌生,中學時期的物理課程上就已經聽過學過,比如常見的機械波(如聲波)的都卜勒效應,原因起自波源與觀測者之間存在相對運動,而題目中提到的光的都卜勒效應,原則上來講也是因為波源與觀測者存在相對運動而引起的,但需要考慮相對論的修正。

用一個簡單的例子,以一個簡單的說法來解釋一下光的都卜勒效應

假設地面上有一發射單色光(即波長恆定)的波源,由波長可以確定光波的周期為定值T1,而小明身上帶有一個靈敏度非常高的接收儀器,可以測出光波的變化。

首先小明以一定的速度遠離波源,那麼波源發出的光想要被小明接收,勢必要經過一段路程的追及才行,而這個過程則需要一定時間才能完成,顯而易見波源自身測得的周期T1肯定與小明測得的周期T2不一致。

那麼兩個周期之間存在的關係是否可以表示出來呢?答案是可以,數學推導不難,有興趣的讀者朋友可以試一試。但如果僅僅依靠上段所講的方面進行推導,你會發現推導出來的結果和教材上的公式完全對不上,這是什麼原因呢?

很簡單,因為你沒有考慮狹義相對論中的運動鍾慢效應。如果一些讀者朋友正好還熟悉狹義相對論,那麼你將這個鐘慢效應加進去就你得到正確的光都卜勒效應的公式了。

由此可見,光速不變原理(代表狹義相對論)與光的都卜勒效應之間非但不存在矛盾,而前者恰恰是後者的原理解釋。

光的都卜勒效應具體表現就是當波源與觀測者相互遠離時,觀測者測得的波長要比波源處測得的長,表現為紅移,反之就是藍移。

補充一點知識:此外還有一種紅移——「引力紅移」被經常提到,以地球為例,一束單色光向上發出,位於地面上方不同高度處的波長是不一樣的,與上文提到了運動鍾慢效應類似,這個是因為引力鍾慢效應引起的。

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  • 【微視頻】光速不變原理
    光速不變原理
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    在前面的三期我們已經介紹了狹義相對論、廣義相對論以及相對性原理講的是什麼。這期我們將來重點介紹光速不變原理。經過不均勻介質,光速減慢愛因斯坦曾經高度評價自己的「光速不變原理」,他認為,自己的的相對論與牛頓經典物理學的分水嶺就是「光速不變原理」。
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    光速為299792458m/s,且恆定不變。光速不變是怎麼一回事呢?光速是宇宙系統內部運動的最快速度,任何有質量的物體都無法超越光速,且光速相對於任何參考系而言都是恆定不變的。這是不是有些不好理解?那就讓我們從牛頓說起。
  • 再論廣義光速不變原理
    再論廣義光速不變原理      之前發過兩篇推文思考廣義光速不變原理,今天再來談一談
  • 光速不變原理是怎麼被發現的?
    光速不變原理實際上是愛因斯坦相對論的基礎,相對論是建立在兩條基本假設至上的科學理論,這兩條基本假設,其中之一是光速不變原理,另外一個就是相對性原理。相對性原理實際上就是我們初高中所學的參考系的一些相關知識,在這裡就不贅述了。
  • 光會被加速嗎,比如當光落向黑洞時,會被加速而超過光速嗎?
    但到了19世紀末,美國物理學家阿爾伯特·麥可遜和愛德華·莫雷做了一個用幹涉儀測量光速差值的實驗。這個稱為麥可遜·莫雷實驗最終證明光速是各向不變的。這表明光速並沒有因地球的運動而改變,這一結果不符合經典的速度疊加。