(毕业论文 页数:6 字数:5967)摘要：多普勒效应在天文学中应用十分广泛，尤其是普遍观测到的天体光谱的红移现象为大爆炸宇宙学提供了重要的证据。本文试图对多普勒效应在大爆炸宇宙学中的意义做一较详细阐述，并对目前存在的一些争论做一简要分析。

关键词：多普勒效应 红移 大爆炸宇宙学

目录

1. 引言
2．多普勒效应为大爆炸宇宙学提供的证据
3．一些争论
4．结语

1. 引言
多普勒效应，即接收器接收到的频率有赖于波源或观察者运动的现象。关于它的原理和定量计算方法在课本上已经叙述得较为详细，在此不再赘述。多普勒效应在天文学中应用十分广泛，如测定恒星视向速度、发现密近双星、探测星云自转等等。多普勒效应也给目前为人们所普遍接受的“大爆炸宇宙学”提供了一定的证据。可以说，对多普勒效应的分析是天文学中一种必不可少的分析方法。然而课本上对于多普勒效应在天文学中的应用只有短短的四行：“天文学家将来自星球的光谱与地球上相同元素的光谱比较，发现星球光谱几乎都发生红移，这说明星体都在远离地球向四面飞去。这一观察结果被‘大爆炸’的宇宙学理论的倡导者视为其理论的重要证据。”本文试图对多普勒效应在大爆炸宇宙学中的意义及现存争论做一较详细的论述，作为对教材的补充。
1．1 何谓“大爆炸宇宙学”
1948年伽莫夫（G. Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型。与其它宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从冷到热从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：宇宙开始于一个密度无限大的“奇点”，宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。
大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实：
（１）大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比从温度下降到足够程度到今天的这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
（２）观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。
（３）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30％。用恒星核反应机制不足以说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。
（４）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。伽莫夫曾预言今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为3Ｋ。这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。

2．多普勒效应为大爆炸宇宙学提供的证据
19世纪的天文学家海因里希•奥伯斯（ Heinrich Olbers ）提出了关于宇宙的著名佯谬----奥伯斯佯谬（Olbers' paradox）：设想有一个不变的、均匀的（各向同性的）、存在时间无限长的宇宙，其中的恒星在某个平均密度之下作随机分布。总有一批恒星，它们位于一个以地球为中心的薄球壳空间内。射到地球上的星光总流量中有一部分来自这个球壳中的恒星星光。某一颗恒星的光强度随球壳半径的平方而减小，但球壳内的总星数与球壳半径的平方成正比。因此这两个因素相互抵消，而该球壳的总光度便与它的半径无关。对一个无限宇宙来说有无限多个球壳。显然，到达地球的光流量就会是无限大。这样，天空应该是无论何时都无限明亮的。
要是考虑到恒星实际上有一定的大小，情况会稍有改善。虽然肉眼看来恒星都是一些光点，但实际上都是些球体。离地球越远，恒星的视直径越小。如果两颗恒星位于相同的视线上，则近的一颗便会遮住较远的那颗。在一个无限宇宙中，这种情况会出现无限多次。考虑到这一点，前面计算的结论就变了，到达地球上的光通量不再是无限大，而只是很大而已。事实上，这等价于把太阳圆面充满整个天空。这种情况相当干把地球放在离太阳表面一百万公里的地方一样，地球会很快被酷热所汽化。
一个无限宇宙应当是一个宇宙熔炉这个结论，实际上是热力学问题的另一种表现形式。恒星把热量和光辐射倾注入太空，这种辐射慢慢地在真空中堆积起来。假如恒星可以一直燃烧下去，那么这种辐射看来必定会达到无限大的强度。但有些辐射在太空中旅行时，会因碰到其他恒星而被再吸收（注意这等价于近距恒星遮挡住远距恒星的星光）。因此，一旦建立起某种平衡，辐射的强度便不再上升，这时发射率正好同吸收率相平衡。当空间中辐射达到恒星温度（几千开）时，就会出现这种情况，即处于热动平衡状态。因此，整个宇宙应当充满温度为几千开的热辐射，夜晚的天空应当在这个温度上发光发热，而不是漆黑一片。
奥伯斯提出了解决这个问题的一种方法。他注意到宇宙中存在大量的尘埃，指出这种物质会吸收大部分的星光，因而天空就变黑了。遗憾的是，他的思想从根本上说是不能成立的。这种尘埃最终也会热起来，并开始发光发热，其强度与它们吸收的辐射强度相同。