托马斯小火车的鸣笛声中，竟然隐藏着宇宙的秘密？_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-07-21 15:08
原创：中科院物理所
有一天夜晚（应该很晚了），在床上扣手机的我，竟然听到了远方传来了“托马斯”小火车的鸣笛声，是那样的悠扬、婉转、尖锐、雄浑。
托马斯给我冲！！！
抑扬顿挫，结果就更睡不着了。
这是动图啊喂
不对，等一下。鸣笛音调貌似在变，音调先是变高，后来随着远去，音调又变低了！这怎么就变了呢？（小编耳朵应该没什么问题的吧）
于是小编梦中惊坐起，开始查阅资料。这一查不要紧，虽然这可能仅仅是高中学过的多普勒效应，但是我却发现了其中竟然隐藏着宇宙的秘密~
我要泄露天机了，各位朋友请紧张的往下看！！！
这是为什么？
Why？
明明只是普通的“托马斯”小火车鸣笛声，“音调”是如何发生改变的呢？
直到我又一次在街上听到了“救护车”的声音，它经过我的时候，音调也发生了由高到低的过程，但是它停下等红灯的时候，音调却基本不会变化。
那么，
是运动，让他产生了这种变化。
最早观察到这一现象的人是奥地利数学家和物理学家多普勒。在他38岁的时候，向皇家波西米亚科学协会做了一个演讲，随后发表了他最著名的作品—《在双星和其他一些恒星的彩色光线上》。[1]
封面图
多普勒在其中提出了他的假设（也就是后来的多普勒效应）：观察到的波的频率取决于波源和观察者的相对速度。而同时，法国物理学家斐索也参与了多普勒效应的发现，这个效应在法国被称为多普勒-斐索效应。
多普勒效应，又叫多普勒频移。其实质可以由下面的动图直观的来理解：
来源：维基百科
这个也就是汽车鸣笛的例子。当汽车不动时，汽车前后方站着的人收到的频率是一样的；当汽车向着你移动时（也就是你在上图的左手边），由于后一个波峰更靠近观察者，使得每一个波到达观察者的时间都在减少（距离变小）；相反的，当汽车背着你移动时（也就是你在上图的右手边），由于后一个波峰相对观察者来说更远，使得每一个波到达观察者的时间都在增加（距离变大）。
来源：维基百科
也就是上图右边波密，左边稀疏。那么也就是对应着**右边频率高，“音调”高；**左边频率低，“音调”低。
有趣的是，荷兰化学家和气象学家白贝罗在1845年让一队喇叭手站在一辆从荷兰乌德勒支附近疾驶而过的敞篷火车上吹奏，他在站台上测到了音调的变化。[2] 这也是一个非常有趣的物理实验。
还有一个与多普勒效应有关的经典笑话：
一司机开车闯红灯被交警抓到，交警要开罚单。司机辩解道：“是因为车朝着红灯开，由于多普勒效应红光移动成了绿光，导致我看成了绿灯。”
交警：“我在写超速罚单。”（大笑）
隐藏着怎样的宇宙奥秘？
What kind of secret?
多普勒效应应用范围甚广，不仅仅是声波，对于电磁辐射也同样适用。
最早窥探到宇宙秘密的人其实不是我们熟知的哈勃，而是维斯托·梅尔文·斯里弗，这位美国天文学家。于1912年首次在星系的谱线中发现了红移。[3]
来源：维基百科
先不要慌，红移也可能与开头说到的多普勒效应有关。
谢耳朵也表示有兴趣
上面说到，当波源远离观察者时，频率会降低，相应的，波长就会增加。显示出光谱在向红色区域移动；相应的，当波源向观察者移动时，频率就会增加，波长减小，被称为蓝移或者负红移。[4]
来源：NASA
在电磁波谱的可见部分（可见光），蓝光具有最高频率，红光具有最低频率。当可见光向较高频率或向光谱的蓝端移动时使用术语蓝移，并且当光向较低频率或向光谱的红端移动时使用术语红移。
红移和蓝移仍然用于描述频谱的任何部分中的多普勒频移。例如，如果无线电波转移到光谱的紫外线部分，我们仍然会说光线红移 - 向低频移动。
随后，哈勃等人首次测量了银河系外的星系的红移与蓝移，并且哈勃发现红移增加与星系距离之间有着某种线性关系，理论物理学家意识到，这种关系可以通过爱因斯坦广义相对论方程中产生红移的机制来解释。并最终整理出了简单的数学表达式-哈勃定律：
是由红移现象测得的星系远离速率，单位通常是km/s。H0是哈勃常数，D是从星系到观察者的适当距离。
通俗地说，哈勃定律揭示了宇****宙在膨胀，而且距离越远，膨胀速度越大。[5] 基于哈勃的伟大贡献，最大且最被人熟知的太空望远镜也以他的名字命名—哈勃太空望远镜。
来源：维基百科
宇宙中大多数物体的光线在地球上看都是红移的，这是因为我们的宇宙正在扩张。只有少数行星和一些附近的恒星等物体，才会观察到蓝移。当空间中的物体向我们移动或者远离我们时，吸收或发射线的波长将不同于物体不移动时的波长（相对于我们）。
来源：cool cosmos
这些线的波长的变化可以用于计算物体的红移，红移定义为光的波长变化初一光源不移动时所具有的波长（称为静止波长）。
红移=（观察到的波长 - 静止波长）/（静止波长）[6]
与开普勒什么关系？
What is the relationship with Kepler?
开普勒和多普勒都叫“普勒”，而且都有一个相同的职业数学家，导致好多人有点分不清。但是两个人研究的东西可是大不相同，而且开普勒比多普勒早了大约整整两个世纪（爷爷的爷爷叫什么？）。
开普勒是德国天文学家、数学家和天文学家。他还是17世纪科学革命史上的关键人物。
现在大家耳熟能详的牛顿与他的苹果的故事提出的万有引力定律的一个基础就是开普勒最著名的工作—开普勒行星运动的三大定律。分别是：
轨道定律：行星轨道是椭圆形，太阳位于两个焦点之一
面积定律：连接行星和太阳的线段在相等时间间隔内扫过的面积相等
周期定律：行星轨道周期的平方与其轨道的半长轴的立方成正比
由于这三大行星运动定律，开普勒又被称为“天空立法者”。[7][8]
所以两个“普勒”其实没有多大的关系，希望看了这个文章的小伙伴们，以后要分清楚哦！
之后，如果在听到”托马斯“小火车的鸣笛声（或者其他什么移动的声音），你不仅知道了其中的物理原理，你还发现了隐藏在其中的宇宙的秘密（兴奋）！！！
部分图片来源于网络
参考资料：
[2]多普勒效应-维基百科
[5]Hubble’s law
[6]redshift
[7]开普勒-维基百科