时间：2022-03-20 12:38:20
一、问题的提出
当一列火车鸣着汽笛迎面驶来时，我们听到的汽笛声的声调会变高：当火车鸣着汽笛远离我们时，我们听到的汽笛声的声调则会变低。这就是多普勒效应，是由奥地利科学家多普勒于1842年发现的。医学中测量血管内的血液流量计，就是根据多普勒效应设计的。电磁波同样具有多普勒效应，可以测定目标的径向速度，雷达便是一个最好的例证。
谱线红移是指天体光谱中某一谱线相对于实验室光源的比较光谱中同一谱线向红端的位移。从物理学的观点来看，产生红移的机制仅有两种，即多普勒红移和引力红移。这是两种不同的红移，下面分别予以简单的介绍。
二、多普勒红移
1842年，奥地利物理学家多普勒发现，声源由近及远或由远及近，都会导致声波的频率发生变化。为了使大家更好地理解这一有趣的现象，大家可联想：有一位旅行者在他旅行的途中，每一周都定期向家中发一封信。当他的旅程是离家而去时，由于每封信都会比前一封信的邮程长一些，因而他的家人收到的每两封信相隔的时间将会超过一周；若他的旅程是向家中而来时，由于每一封信都要比前一封信的邮程短一些，因此他的家人不到一周就可以收到一封信。此外，若声源静止而观测者运动，或者声源和观测者都运动，也会发生这种收听频率与声源频率不一致的情况，这种现象即为多普勒效应。
具有波动性的光也会出现这种效应，但光与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感到的是颜色的变化。如果恒星远离我们而去，光的谱线就向红光方向移动，此即为运动红移，又叫做多普勒红移；如果恒星朝着我们运动而来，光的谱线就向蓝光方向移动，此即为蓝移。由此不难看出，多普勒红移是光谱与观测者之间相对运动的结果。
上世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的漩涡云系发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了漩涡星云正快速地远离地球而去。1929年，美国天文学家哈勃发现在宇宙空间几乎所有的星系都具有谱线红移现象。并且存在着星系红移量与该星系的距离成正比的关系。这就意味着越远的星系正在以越快的速度远离我们而去。人们把这种运动叫做“星系退行”，星系的退行速度=哈勃常数×星系的距离，这便是著名的哈勃定律。
星系的红移一般都比较显著，有的甚至达到了难以想象的地步。例如，一个20亿光年远的星系，离开我们的速度高达30000 km/s，这时一些紫外谱线已移到了可见区；而某些可见区的谱线则移到了红外区。
目前，已观测到的最远星系距我们超过100亿光年，这样的星系正以与光速相差无几的速度远离我们。为什么所有的星系都在向向四面八方“狂奔”，彼此之间相互远离呢？哈勃定律发现之后不久，英国天文学家爱丁顿提出了一个“宇宙膨胀”假说。上个世纪30年代。比利时天文学家勒梅特又进一步提出，现在的宇宙是一个巨大“原始卵”的爆炸而形成的。1948年，美国天文学家伽莫夫发展性地提出了“大爆炸宇宙模型”，这个模型逐渐被人们所接受。
三、引力红移
光线在引力场中传播时，它的频率会发生变化。当光线从引力场强的地方（如太阳附近）传播到引力场弱的地方（如地球附近）时，其频率会略有降低，波长稍增，即发生引力红移。引力红移，在广义相对论看来是在引力场内时间膨胀的结果。时间膨胀的重要表现之一，是任何周期运动的周期增长，光线也是一种波动，波动的周期增长了，也就是光谱的波长增长了，所以才导致光谱红移。
一个人的心脏跳动也是一种周期运动，例如，你在地球上每分钟心跳70次，到火星上则会多于70次，这是因为火星的引力比地球大的缘故。若是在黑洞中，心脏则会停止跳动。这都是假定观测者在地球上。如果你身上有一只从地球带上去的手表，用这只手表记录你的心脏跳动。仍然是70次。爱因斯坦在1911年计算出，从太阳射到地球的光线的相对引力红移变化是2×10-6，这个数值很小，测量起来非常困难。
白矮星的质量大、半径小。其发出的光谱的引力红移效应比较显著。1925年，天文学家亚当斯观测了一颗白矮星天狼A，测到的引力红移与广义相对论的理论基本相符。上个世纪60-70年代，测到太阳光谱线的引力红移值与理论值的不确定度已小于5%-7%。
在地面附近高度相差几十米的两点间传播的光线也应产生引力红移，只是这种引力红移的变化更小，只有10-15的数量级，一般实验手段是无法测到的。1958年穆斯堡尔效应的发现提供了精确完成地面引力红移实验的可能性。1969年庞德和雷布卡把钴57发射的γ射线，从22.6m高的塔顶射向地面的接收器，运用穆斯堡尔效应测量塔底处的频率改变量，这实际上是一个引力蓝移的实验。他们的实验相当成功，实验测量值与理论值的不确定度在5%以内。
用引力红移理论，天文学工作者可以测出天体的质量比地球大多少或小多少。例如，同一种光谱的波长在地球上是多长，通过望远镜的分光仪，测出某一天体该谱线的波长是多少，与地球上的加以比较，从两者的红移量，就可以分析出地球质量与该天体的质量之比。这就可以算出该天体的质量有多大。
从以上论述可以看出，多普勒红移与引力红移是两种不同的谱线红移现象，大家一定要弄清楚，千万不能混为一谈。