红移的本质是什么?光子频率下降,能量凭空消失了?

其实红移的本质在我们日常生活中也是常见的,我们称之为“多普勒频移”,最简单的现象就是汽车鸣笛驶过身边时,靠近时急促,远离是缓和,这就是声波的多普勒频移现象!但在光学天文中,红移的现象并不能用如此简单的方式来解释,因为有三个因素会造成红移现象!

  1. 光源的远离或者靠近,这是改变光线频率最直接的方式

  2. 空间的膨胀,这在遥远宇宙深处的天体上表现尤为明显

  3. 引力红移,光线在引力场中的相对论效应!

我们一一来介绍,当然首先我们要重申一下,红移对应的光源远离,蓝移指的是光源靠近,我们用简图来试示意下红移与蓝移的原因!

  1. 红移:光源波长被拉长,进入了可见光的低频段

  2. 蓝移:光源的波长被压缩,进入了可见光的高频段

疑问:既然可以频移,那么更高的或者更低的波段都会频移过来,我们看到的光线还是一致的,为什么能看到红移和蓝移?

其实这个问题非常好,因为产生光子的是电子能级的跃迁在跌落时产生,根据能级的不同,它们产生的频率相对是比较规定,并不全波段覆盖,比如太阳表面5500K左右的温度,对应的光辐射在X射线波段尽管也存在,但并不如天狼星9940K所激发的光子高频段(紫外辐射)覆盖更广!

电子不同能级辐射的光子频率差异,因此光源的最强辐射波段其实相对比较固定,因此我们才能看到红移和蓝移现象!

空间膨胀下红移的本质

光子频率降低,光子能量下降,这些消耗的能量克服了空间的膨胀带来的空间势能,因此能量还是守恒的,光子能量降低了,并不是凭空消失,而是被空间膨胀给剥夺了!

引力场影响下红移的本质

光子频率降低,光子能量下降,这些消耗的能量克服了引力场影响下的引力势能,能量一样守恒,而是被扭曲的空间梯度给剥夺了!

当然可以被空间剥夺,也可以被空间给予,朝着光源移动或者光源朝着观测者移动就是空间势能赋予光子频率增加的能量!

但在这个过程中光速永不改变,这在100多年前的迈克尔逊-莫雷实验中已经证明,后人也无数次验证这项实验的科学严谨性,我们无需怀疑!