既然有光速不变原理,那为什么光还会受到多普

光速不变原理、光的多普勒效应这两者不存在矛盾关系,恰恰相反正是有了光速不变原理,才有了狭义相对论,之后才有了光的多普勒效应的解释。


多普勒效应这个词我们并不陌生,中学时期的物理课程上就已经听过学过,比如常见的机械波(如声波)的多普勒效应,原因起自波源与观测者之间存在相对运动,而题目中提到的光的多普勒效应,原则上来讲也是因为波源与观测者存在相对运动而引起的,但需要考虑相对论的修正。


用一个简单的例子,以一个简单的说法来解释一下光的多普勒效应

假设地面上有一发射单色光(即波长恒定)的波源,由波长可以确定光波的周期为定值T1,而小明身上带有一个灵敏度非常高的接收仪器,可以测出光波的变化。


首先小明以一定的速度远离波源,那么波源发出的光想要被小明接收,势必要经过一段路程的追及才行,而这个过程则需要一定时间才能完成,显而易见波源自身测得的周期T1肯定与小明测得的周期T2不一致。



那么两个周期之间存在的关系是否可以表示出来呢?答案是可以,数学推导不难,有兴趣的读者朋友可以试一试。但如果仅仅依靠上段所讲的方面进行推导,你会发现推导出来的结果和教材上的公式完全对不上,这是什么原因呢?


很简单,因为你没有考虑狭义相对论中的运动钟慢效应。如果一些读者朋友正好还熟悉狭义相对论,那么你将这个钟慢效应加进去就你得到正确的光多普勒效应的公式了。


由此可见,光速不变原理(代表狭义相对论)与光的多普勒效应之间非但不存在矛盾,而前者恰恰是后者的原理解释。


光的多普勒效应具体表现就是当波源与观测者相互远离时,观测者测得的波长要比波源处测得的长,表现为红移,反之就是蓝移。



补充一点知识:此外还有一种红移——“引力红移”被经常提到,以地球为例,一束单色光向上发出,位于地面上方不同高度处的波长是不一样的,与上文提到了运动钟慢效应类似,这个是因为引力钟慢效应引起的。


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