解析宇宙學(xué)導(dǎo)論

第二章  基本理論

§2.1  紅移

2.1.1 波長(zhǎng)

波長(zhǎng)是波在沿著傳播方向的一個(gè)波形信號(hào)中，相鄰周期且同樣端點(diǎn)之間的距離。

波長(zhǎng)在物理中表示為：λ，讀作“蘭姆達(dá)”，單位是m（米）。

在無(wú)線系統(tǒng)中，長(zhǎng)度通常被指定為米、厘米，或毫米。在紅外線，可見(jiàn)光，紫外線和射線中，波長(zhǎng)更多的指定為nm（納米，是10的負(fù)9次方米)或者埃 (單位是10的負(fù)10次方米) 。

我們知道，光（電磁輻射）可按波長(zhǎng)劃分為幾部分：肉眼可見(jiàn)的紅橙黃綠青藍(lán)紫顏色光是可見(jiàn)光部分（波長(zhǎng)從770nm到390nm，nm是納米）；往長(zhǎng)波延伸則有，紅外線（波長(zhǎng)從0.770um到1000um，um是微米）和無(wú)線電波（波長(zhǎng)大于1mm，mm是毫米，天文學(xué)上通常稱(chēng)之為射電波）；往短波延伸則有，紫外線（波長(zhǎng)390nm到10nm，nm是納米）、X射線（波長(zhǎng)100Å到0.1Å，Å是埃）、γ射線（波長(zhǎng)小于0.1 Å，Å是埃）。如果要細(xì)分，我們還可以分為：就無(wú)線電波來(lái)說(shuō)可細(xì)分為米波（1～30m，m是米）、厘米波（1～100cm，cm是厘米）、毫米波（1～10mm，mm是毫米）；就紅外線來(lái)說(shuō)可細(xì)分為遠(yuǎn)紅外線（30～1000um，um是微米）、中紅外線（3.0～30 um，um是微米）、近紅外線（0.77～3.0 um，um是微米）。

光（電磁輻射）的特性可以用頻率（每秒鐘電磁場(chǎng)振動(dòng)次數(shù)——赫茲）表示，頻率ν（紐）和波長(zhǎng)λ（蘭姆達(dá)）的換算公式為：

                  （2.1.1.1）  

式中，c為光速（c=299792458m/s，m/s是每秒米）。

光（電磁輻射）有波和粒子（光子）兩重性，光子能量為：

                  （2.1.1.2）  

式中，h為普朗克常數(shù)（h=6.6260755×10-27erg.s，erg.s是爾格·秒）。

2.1.2 紅移的定義

紅移是物體的電磁輻射由于某種原因使波長(zhǎng)增加的現(xiàn)象，在可見(jiàn)光波段，它表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅端移動(dòng)，即波長(zhǎng)變長(zhǎng)、頻率降低。相反的，波長(zhǎng)變短、頻率升高的現(xiàn)象則被稱(chēng)為藍(lán)移。

紅移最初是在人們熟悉的可見(jiàn)光波段發(fā)現(xiàn)的，隨著對(duì)電磁波譜各個(gè)波段的了解逐步深入，任何電磁輻射的波長(zhǎng)增加的現(xiàn)象都稱(chēng)為紅移。

對(duì)于波長(zhǎng)較短的γ射線、X-射線和紫外線等波段，波長(zhǎng)變長(zhǎng)確實(shí)是波譜向紅光移動(dòng)，紅移的命名并無(wú)問(wèn)題，然而，對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線、微波和無(wú)線電波等波段，盡管波長(zhǎng)增加實(shí)際上是遠(yuǎn)離紅光波段，但這種現(xiàn)象仍然被稱(chēng)為紅移。

在宇宙觀測(cè)過(guò)程中，設(shè)觀測(cè)者觀測(cè)到的波長(zhǎng)為λ，在地球上實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的波長(zhǎng)λ₀，那么，波長(zhǎng)的變化量就是：

                 （2.1.2.1）  

該式就是紅移的定義式，在地球上實(shí)驗(yàn)室里測(cè)定的波長(zhǎng) 就是被確定的星系輻射光子的波長(zhǎng)。

2.1.3 紅移的分類(lèi)

由于引起紅移的原因不同，紅移也有不同的種類(lèi)。依據(jù)引起紅移的原因進(jìn)行分類(lèi)可分為如下三種：

1 由于光源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的紅移，通常稱(chēng)之為多普勒紅移。這種多普勒紅移是我們最為熟悉的一種紅移。

2 由于光（電磁輻射）脫離引力場(chǎng)引起的紅移，通常稱(chēng)之為引力紅移。這種引力紅移在強(qiáng)引力場(chǎng)中才有明顯顯現(xiàn)。

3 由于光（電磁輻射）在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的紅移，通常稱(chēng)之為宇宙學(xué)紅移。這種宇宙學(xué)紅移是《解析宇宙學(xué)》于2009年問(wèn)世以后才有比較清晰認(rèn)知的一種紅移，也是《解析宇宙學(xué)導(dǎo)論》主要討論的紅移。