引言：红移和蓝移作为多普勒效应的具体体现，在光学领域有着显著的表现。当物体远离地球时，其发出的光波波长会变长，这种现象被称为红移；反之，当物体朝向地球运动时，光波波长会缩短，产生蓝移。通过光谱分析技术，我们可以精确测量物体光谱中的波长变化，进而计算出其红移或蓝移的具体数值。
红移现象本质上是物体与观察者相对远离导致的光波波长延展。与之相对的蓝移则是物体朝向观察者运动时，光波波长被压缩的现象。这两种现象都是多普勒效应在光学领域的直接应用。
多普勒效应在日常生活中并不罕见。例如，当警车高速驶过时，我们听到的警笛声会随着警车的移动而发生变化：当警车接近我们时，音调会升高；而当警车远离我们时，音调则会降低。这一现象源于声波频率的变化。以下视频生动展示了这一原理的应用。
光同样会受到多普勒效应的影响。当光源朝向我们运动时，光波的波长会向光谱的蓝色端移动；而当光源远离我们时，光波会被”拉伸”向红色区域。通过观察光谱线的变化，我们可以直接测量这种移位现象。
红移与蓝移现象详解
左图展示了太阳光谱中的吸收谱线，右图则显示了遥远星系超星系团的吸收谱线
图中箭头清晰标示了红移方向。随着波长的增加，光线逐渐向红色及远红外区域偏移（对应频率的降低）
红移与蓝移的历史渊源
多普勒效应这一物理现象以克里斯蒂安·安德里亚斯·多普勒的名字命名。他在1842年首次提出了这一现象的物理学解释，为后人奠定了理论基础。这一关于声波的假设于1845年被荷兰科学家克里斯托弗·亨德里克·迪德里克·巴伊斯·白贝罗通过实验验证。
1848年，法国物理学家阿曼德-希波利特-路易·菲佐首次描述了多普勒红移现象，明确指出恒星光谱线的变化正是多普勒效应所致。这一效应有时也被称作”多普勒-菲佐效应”。1868年，英国天文学家威廉·哈金斯首次利用多普勒效应成功测定了一颗恒星远离地球的速度。
1871年，科学家在观测太阳自转过程中夫琅和费谱线时，首次证实了光学红移现象，其数值约为0.1 Ã。1901年，阿里斯塔赫·贝洛波尔斯基通过旋转镜系统，在实验室条件下验证了光学红移的存在。
红移的探测方法
光谱学技术在测量遥远星系的光学频谱方面发挥着关键作用。科学家会在光谱中寻找红移特征（如吸收谱线、发射谱线或其他光强度变化），然后将这些特征与已知元素的频谱进行比对，从而确定红移的具体数值。氢元素作为宇宙中最常见的元素之一，在红移测量中扮演着重要角色。
在上述图表中，我们可以看到两束光：一束来自太阳（其光谱中每个吸收线位置都已精确测定），另一束来自遥远星系的超级星团。当我们比较这两个光源时，发现太阳的氢谱线与遥远星系的谱线基本对应，唯一的差异在于遥远星系的吸收谱线整体向红色端移动。这一现象明确指示了红移的存在，由此可以得出结论：该星系正在远离我们，或者我们正在远离该星系。
红移与蓝移的计算方法
一旦我们确定了已知的光谱线，就可以测量其在光谱中的精确波长。然后，利用这一数据计算观测到的光谱波长，最终通过特定公式得出红移值。
以上述图形为例，我们可以选取氢阿尔法发射谱线（标准波长为656.2纳米），然后根据观测到的谱线（假设为675纳米）计算其波长变化。最后，应用以下公式计算红移值：
等式28-红移值计算公式
代入观测数据后，我们得到：
等式28-红移值计算实例
其中z是一个无量纲的参数，正值表示红移，负值表示蓝移。
红移的实际案例
星系是目前已知红移最高的天体。根据光谱数据分析，确认的最高红移值属于星系IOK-1，其红移值达到z = 6.96。此外，观测到的最遥远伽马射线爆发GRB 080913，其红移值也达到了z = 6.7。
相关知识补充
在物理学中，红移是指电磁辐射因特定原因导致波长增加、频率降低的现象。在可见光波段，这一现象表现为光谱线向红色端移动。相反地，当电磁辐射波长缩短、频率升高时，则称为蓝移。红移最初是在可见光波段被发现的，随着对电磁波谱认识的深入，现在任何波长增加的电磁辐射现象都可以称为红移。
BY: Tim Trott
FY: 树灯下的书
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