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都都都都都~都卜勒誕辰|科學史上的今天:11/29

「喔~咿~喔~咿~」迎面而來的救護車所發出的警笛聲變細變高了,直到呼嘯而過;而離我們遠去時,音調又變得比平常還低沉。不管你還記不記得課堂上學過的「都卜勒效應」,都應該對此現象不會感到陌生。不過,當初都卜勒可不是因為在日常生活中遇到才靈光一閃的,畢竟一百多年前的生活周遭,可還沒有像汽車這樣速度快到可以察覺都卜勒效應的東西。

克里斯蒂安·都卜勒。圖片來源:wikipedia

出生於奧地利的都卜勒自小體弱多病,因此才不用承襲家族多年以來的石匠工作,得以繼續念書往教學研究發展。1842年,他發表了一篇論文探討雙星的星光顏色,主張當波源移動時,靜止的觀測者所接收到波的頻率會隨波源的運動方向而改變;朝觀測者而來時頻率會變高,遠離觀測者而去時頻率會變低。因此雙星各自在朝向或遠離地球的方向運行時,所發出的星光顏色會不一樣。

都卜勒的理論雖然是對的,但他卻犯了一個根本的錯誤:他把光波當成跟聲波一樣是縱波來計算。另外,遠離地球的恆星所發出的光譜波長的確會改變,但雙星的顏色不同與此無關,因為都卜勒效應在此處微小到可以忽略不管。但畢竟他還是史上第一位提出此理論者,因此人們還是稱之為都卜勒效應。

圖片來源: sermim@deviantart

不過,這篇論文並未引起多少注意,或許是因為當時實在看不出這個理論有啥作用,又何必費心討論驗證。直到1845年,一位荷蘭氣象學家讓一隊喇叭手在行駛的火車上吹奏固定的音調,然後讓音感超準的人分別在月台上與火車上聆聽比較,才正式證實了都卜勒的理論。至於當初他本人誤會一場的光學都卜勒效應也在1848年由法國物理學家斐索(Armand Fizeau)證實;而遠離我們而去的恆星,其光譜的譜線會移向波長較長的紅光方向,這種現象就稱為「紅移」。

紅移讓天文學家得以計算星球的移動速度與距離,對天體有更深的了解(註)。除了天文學,都卜勒效應隨著科技的進展也有廣泛的應用,例如都卜勒雷達、氣象雷達、以及測量各種流體的速度,因此醫學上可以測量血液的流動以了解健康狀況,還可應用在軍事、地質學、海洋學等等。

都卜勒後來還是未滿50歲就病逝,生前除了這篇具有創見卻也有瑕疵的論文,再無其它重要的科學研究,但這已足矣!

註:不過哈伯發現宇宙膨脹的證據──越遠的星系有越大的紅移,可不是星系本身的移動速度造成的,而是空間擴張的結果。

於佩妮的萬聖節派對中裝扮成都卜勒效應的謝爾頓。圖片來源:CBS

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。