簡介紅移在物理學和天文學領域，指物體的電磁輻射由於某種原因頻率降低的現象，在可見光波段，表現為光譜的譜線朝紅端移動了一段距離，即波長變長、頻率降低。紅移的現象多用於天體的移動及規律的預測上。紅移最初是在人們熟悉的可見光波段發現的，隨著對電磁波譜各個波段的了解逐步深入，任何電磁輻射的頻率降低都可以稱為紅移。對於頻率較高的γ射線、X射線和紫外線等波段，頻率降低確實是波譜向紅光移動，“紅移”的命名並無問題；而對於頻率較低的紅外線、微波和無線電波等波段，盡管頻率降低實際上是遠離紅光波段，這種現象還是被稱為“紅移”。[1]當光源遠離觀測者運動時，觀測者觀察到的電磁波譜會發生紅移，所有的波（包括機械波、電磁波和引力波等）都會因為多普勒效應而造成的頻率和波長的變化，其中頻率降低，波長變長的現象稱為紅移現象，這樣的紅移現象在日常生活中有很多應用，例如多普勒雷達、雷達槍，在分光學上，人們使用多普勒紅移測量天體的運動，在天體光譜學裏，人們使用多普勒紅移測量天體的物理行為。這種多普勒紅移的現象最早是在19世紀所預測並觀察到的，當時的部分科學家認為光的本質是一種波。另一種紅移機製被用於解釋在遙遠的星係、類星體，星係間的氣體雲的光譜中觀察到的紅移現象。紅移增加的比例與距離成正比。這種關係為宇宙在膨脹的觀點提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。[2]另一種紅移稱為宇宙學紅移，其機製為空間的度規膨脹。這機製說明了在遙遠的星係、類星體，星係間的氣體雲的光譜中觀察到的紅移現象，其紅移增加的比例與距離成正比。這種關係為宇宙膨脹的觀點提供了有力的支持，比如大爆炸宇宙模型。另一種形式的紅移是引力紅移，其為一種相對論性效應，當電磁輻射傳播遠離引力場時會觀測到這種效應；反過來說，當電磁輻射傳播接近引力場時會觀測到引力藍移，其波長變短、頻率升高。紅移的大小由“紅移值”衡量，紅移值用Z表示，定義為：這裏是譜線原先的頻率，是觀測到的頻率，是譜線原先的波長，是觀測到的波長。類別紅移有3種：多普勒紅移（由於輻射源在固定的空間中遠離我們所造成的）、引力紅移（由於光子擺脫引力場向外輻射所造成的）和宇宙學紅移（由於宇宙空間自身的膨脹所造成的）。對於不同的研究對象，牽涉到不同的紅移。引力紅移多普勒紅移1.由於多普勒效應，從離開我們而去的恒星發出的光線的光譜向紅光光譜方向移動。紅移2.一個天體的光譜向低頻（紅）端的位移。天體的光或者其它電磁輻射可能由於運動、引力效應等被拉伸而使頻率降低。因為紅光的頻率比藍光的低，所以這種拉伸對光學波段光譜特征的影響是將它們移向光譜的紅端，於是這些過程被稱為紅移。圖3 植被曲線紅移3.在高光譜遙感領域的紅移。在植被的光譜曲線中，遭脅迫的植物的紅-紅外透射曲線向更低頻率方向移動（Cibula和Carter，1992）的現象稱為“紅端偏移”，簡稱“紅移”。簡單的說，就是拐點向低頻方向移動（如圖3曲線）。引力紅移引力紅移，是強引力場中天體發射的電磁波頻率降低的現象。由廣義相對論可推知，當從遠離引力場的地方觀測時，處在引力場中的輻射源發射出來的譜線，其頻率會降低一些，也就是紅移。隻有在引力場特別強的情況下，引力造成的紅移量才能被檢測出來。引力紅移現象首先在引力場很強的白矮星（因為白矮星表麵的引力較強）上檢測出來。二十世紀六十年代，龐德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡爾效應的實驗方法，測量由地麵上高度相差22.6米的兩點之間引力勢的微小差別所造成的譜線頻率的移動，定量地驗證了引力紅移。結果表明實驗值與理論值完全符合！共5張紅移區別多普勒紅移物體和觀察者之間的相對運動可以導致紅移，與此相對應的紅移稱為多普勒紅移，是由多普勒效應引起的。圖為遙遠的星係在可見光波段的光譜通常引力紅移都比較小，隻有在中子星或者黑洞周圍這一效應才會比較大。對於遙遠的星係來說，宇宙學紅移是很容易區別的，但是在星係隨著空間膨脹遠離我們的時候，由於其自身的運動，在宇宙學紅移中也會參雜進多普勒紅移。[3]引力紅移根據廣義相對論，光從重力場中發射出來時也會發生紅移的現象。這種紅移稱為重力紅移。一般說來，為了從其他紅移中區別引力紅移，你可以將這個天體的大小與這個天體質量相同的黑洞的大小進行比較。類似星雲和星係這樣的天體，它們的半徑是相同質量黑洞半徑的千億倍，因此其紅移的量級也大約是靜止頻率的千億分之一。對於普通的恒星而言，它們的半徑是同質量黑洞半徑的十萬倍左右，這已經接近光譜觀測分辨率的極限了。中子星和白矮星的半徑大約是同質量黑洞半徑的10和3000倍，其引力紅移的量級可以達到靜止頻率的1/10和1/1000。宇宙學紅移20世紀初，美國天文學家埃德溫·哈勃發現，觀測到的絕大多數星係的光譜線存在紅移現象。這是由於宇宙空間在膨脹，使天體發出的光波被拉長，頻率降低，譜線因此“變紅”，這稱為宇宙學紅移，並由此得到哈勃定律。20世紀60年代發現了一類具有極高紅移值的天體——類星體，成為近代天文學中非常活躍的研究領域。宇宙學紅移在100個百萬秒差距的尺度上是非常明顯的。但是對於比較近的星係，由於星係本身在星係團中的運動所造成的多普勒紅移和宇宙學紅移的量級差不多，你必須仔細的別開這兩者。通常星係在星係團中的速度為3000km/s，這大約與在5個百萬秒差距處的星係的退行速度相當。科學家們可利用爆炸的表觀亮度（隨著距離的增加而減弱）以及紅移測量值作為時間和空間的標記。揭示宇宙在不同時期膨脹的速度。[5]發展曆程這個主題的發展開始於19世紀對波動力學現象的探索，因而連結到了多普勒效應。光源相對觀測者的運動導致紅移和藍移稍後，因為克裏斯琴·安德烈·多普勒在1842年對這種現象提出了物理學上的解釋，而被稱為多普勒效應。他的假說在1845年被荷蘭的科學家Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot獲得證實。多普勒預言這種現象可以應用在所有的波上，並且指出恒星的顏色不同可能是由於它們相對於地球的運動速度不同而引起的。後來這個推論被否認。恒星呈現不同的顏色是因為溫度不同，而不是運動速度不同。多普勒紅移是法國物理學家斐索在1848年首先發現的，他指出恒星譜線位置的移動是由於多普勒效應，因此也稱為“多普勒-斐索效應”。1868年，英國天文學家威廉·哈金斯首次測出了恒星相對於地球的運動速度。在1871年，利用太陽的自轉測出在可見光太陽光譜的夫朗和斐譜線在紅光有0.1埃的位移。在1901年，Aristarkh Belopolsky在實驗室中利用轉動的鏡片證明了可見光的紅移。在1912年開始的觀測，Vesto Slipher發現絕大多數的螺旋星雲都有不可忽視的紅移。然後，哈勃定律。這些觀察在今天被認為是造成宇宙膨脹大霹靂理論的強而有力證據。2023年4月，研究表明，小麥哲倫雲形成岩石元素的豐度類似於更遙遠星係的情況，紅移約為2（在宇宙曆史上大約110至120億年前的一個時期），天文學家稱之為“宇宙正午”。[6]機製原理一個光子在真空中傳播可以有幾種不同的紅移機製，每一種機製都能產生類似多普勒紅移的現象，意謂著是與頻率無關的。這些機製分別使用伽利略、洛倫茲、或相對論轉換在各個參考架構之間來比較。 本章尚未完結,請點擊下一頁繼續閱讀---->>>