托马斯小火车的鸣笛声中,竟然隐藏着宇宙的秘

来源:中科院物理所

有一天夜晚(应该很晚了),在床上扣手机的我,竟然听到了远方传来了“托马斯”小火车的鸣笛声,是那样的悠扬、婉转、尖锐、雄浑。

抑扬顿挫,结果就更睡不着了。

不对,等一下。鸣笛音调貌似在变,音调先是变高,后来随着远去,音调又变低了!这怎么就变了呢?(小编耳朵应该没什么问题的吧)

于是小编梦中坐起,开始查阅资料。这一查不要紧,虽然这可能仅仅是高中学过的多普勒效应,但是我却发现了其中竟然隐藏着宇宙的秘密~

我要泄露天机了,各位朋友请紧张的往下看!!!

Why?这是为什么?

明明只是普通的“托马斯”小火车鸣笛声,“音调”是如何发生改变的呢?

直到我又一次在街上听到了“救护车”的声音,它经过我的时候,音调也发生了由高到低的过程,但是它停下等红灯的时候,音调却基本不会变化。

那么,是运动,让他产生了这种变化。

最早观察到这一现象的人是奥地利数学家和物理学家多普勒。在他38岁的时候,向皇家波西米亚科学协会做了一个演讲,随后发表了他最著名的作品—《在双星和其他一些恒星的彩色光线上》。[1]  

多普勒在其中提出了他的假设(也就是后来的多普勒效应):观察到的波的频率取决于波源和观察者的相对速度。而同时,法国物理学家斐索也参与了多普勒效应的发现,这个效应在法国被称为多普勒-斐索效应。

多普勒效应,又叫多普勒频移。其实质可以由下面的动图直观的来理解:

这个也就是汽车鸣笛的例子。当汽车不动时,汽车前后方站着的人收到的频率是一样的;当汽车向着你移动时(也就是你在上图的左手边),由于后一个波峰更靠近观察者,使得每一个波到达观察者的时间都在减少(距离变小);相反的,当汽车背着你移动时(也就是你在上图的右手边),由于后一个波峰相对观察者来说更远,使得每一个波到达观察者的时间都在增加(距离变大)。

也就是上图右边波密,左边稀疏。那么也就是对应着右边频率高,“音调”高;左边频率低,“音调”低。

有趣的是,荷兰化学家和气象学家白贝罗在1845年让一队喇叭手站在一辆从荷兰乌德勒支附近疾驶而过的敞篷火车上吹奏,他在站台上测到了音调的变化。[2] 这也是一个非常有趣的物理实验。

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