你看到的光和我看到的光颜色一样么？不一定哟！｜张双南专栏

原创 2017-10-25 张双南 果壳科学人

作者：张双南，中科院高能所研究员

编辑：婉珺

什么是红移？

我们观察一个天体时，有时会发现它发出电磁波（光）的波长产生了变化，当波长变长、频率变低的时候，我们就说这是产生了“红移”现象。之所以叫“红”移，是因为我们平时看到的太阳光线差不多是“白”色的，红色的光的波长比较长一些，所以“白”光的波长变长了看起来就“红”了。当然，并非只有可见光波长变长才叫“红移”，任何电磁辐射的波长增加都可以叫做“红移”。

一个“红移”的示意图。图片上部是太阳光谱，下部是遥远星系在可见光波段的光谱，黑色竖线表示谱线。可以发现，下部的谱线向红色的方向移动了。图片来源：Georg Wiora｜Wikipedia

我们最常见的产生波长变化的效应是多普勒效应，这是波源相对于观察者发生运动所产生的效应。比如冲着我们开来的火车的鸣笛声听起来比较尖，就是频率高、波长短；而远离我们的火车的鸣笛声就恰好相反，相当于产生了声音的“红移”，这是经典多普勒效应。

由于光源和观察者之间发生相对运动而产生的红移现象。图片来源：（右）Aleš Tošovský｜Wikipedia

对于光线也存在这样的效应，只不过需要用狭义相对论的多普勒移动公式进行计算。我们熟知的宇宙膨胀的观测最初就是通过光线的多普勒红移测量到的。天文学家哈勃通过观测发现，距离我们越远的星系其光谱红移的量越大，从而得出远处星系退行速度和距离成正比的哈勃定律。

哈勃本人。图片来源：Johan Hagemeyer｜Wikipedia

但我们不能把星系的光谱红移解释为星系在绝对空间的退行速度，因为在红移的量（波长变化的量除以实验室测量的该波长的值）达到1.5的时候，通过计算得到的星系退行速度就已经达到光速了，这意味着星系的动能已经是无穷大了——这当然不可能。而现实是我们目前观测到的红移大于1.5的星系非常多，最远的星系的红移已经是10了，而且宇宙微波背景辐射的红移更是超过了1000。

那么星系的红移是怎么产生的？答案是：空间膨胀本身产生的。

我们知道，声音的传播需要介质，所以真空中是听不到声音的；但是光（电磁波）的传播不需要一个由“物质”组成的介质，在真空中传播起来最舒服，因此电磁波的性质就和空间的性质有关系了。

想象一下，在某个空间里面有一定“数量”的电磁波，因此总的辐射场的能量是确定的。我们让这个空间变大（也就是膨胀），那么总的辐射场的能量不变，但是电磁波仍然得充满这个空间，唯一的办法就是波长也要跟着变长，因此空间膨胀必然导致红移（同理，空间收缩必然导致蓝移，即波长变短）。因此，在膨胀的宇宙中看所有的天体，如果它本身并没有任何运动，那么它的光谱必然发生红移，距离越远，红移越大。如果不是因为宇宙有起源，而光速是恒定的，原则上多大的红移我们都可以观测到！

什么是引力红移？

说了这么多，其实我们还没有说到引力的事情。

爱因斯坦根据有名的电梯假想实验得到结论，引力质量和惯性质量是等效的，由此得到了引力的本质就是质量引起的时空扭曲（包括空间弯曲和时钟变慢）这个结论，而这正是引力红移的本质。

我们首先看看空间弯曲。根据广义相对论，在引力强的地方，空间弯曲的程度就比较大，因此空间的“尺度”就比较小。比如，把姚明对折几次（也就是使劲弯曲他），他就变矮了，相当于“尺度”变小了。

因此从引力强的区域发出光线到引力弱的区域，相当于电磁波经历了一个空间膨胀，那么在引力弱的区域接收到的光的波长就必须变长，这就是引力红移。

我们再看看时钟变慢。根据广义相对论，在引力强的地方，时钟变慢的程度就比较大。比如，地球表面的时钟比全球定位系统卫星上的时钟走得就慢一点，如果不经常修正这个效应，根本不可能做导航，所以这个效应其实是与我们每天的生活有关系的。

假设有一束光线从引力强的区域发出到引力弱的区域，如果我们在引力弱的区域测量每秒内通过测量仪器的电磁波振动次数，就会发现它比引力场强的区域得到的次数要少（这是由于引力弱的区域的表走得快一些，引力弱的区域的“一秒”就比引力强的区域的“一秒”短一些，在短了的“一秒”中电磁波振动的次数就少了），也就是我们发现电磁波（光）的频率变低了。由于光速是不变的，而光速等于电磁波的频率乘以波长，这就相当于在引力弱的区域接收到的光的波长变长了，这就是引力红移。

当光从一颗质量大的星球（左边的黄色星球）向质量小的星球（右边的蓝色星球）移动时，会发生引力红移现象。图片来源：Vlad2i｜Wikipedia

引力红移还可以从最简单的能量守恒的角度理解。

引力场强的区域的引力势能低，所以从引力强的区域发出光线到引力弱的区域，相当于势能增加了，能量守恒要求光子的能量必须减少，由于光速不变，光子的能量和频率成正比，那么只能是电磁波的频率减少了。减少频率就是增加波长，因此也得到了引力红移。

引力红移是广义相对论的一个重要预言，不但得到了很多实验的验证，而且得到了广泛的应用。

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排版：晓岚

科学人问答

张双南专栏精彩回顾：

第一则：我知道宇宙有多迷人

第二则：打通科学圈的“任督二脉”

第三则：如果掉进黑洞，我们能看到什么？

第四则：科学家的日常都在做些什么