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多普勒效应

(2014-04-01 10:50:53)
标签:

声波

音调

速度

行状

纬度

分类: 学术

1842年的一天,一位名叫多普勒(Christian Johann Doppler)的奥地利物理学家,在路过一个铁路交叉口时恰逢一列火车从他身旁驰过,他感觉火车从远而近时汽笛声变响、音调变尖,而火车从近而远时汽笛声变弱、音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣,并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动,使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象:假设原有波源的波长为λ,波速为c,观察者移动速度为v:当观察者走近波源时观察到的波源频率为(c+v/λ,如果观察者远离波源,则观察到的波源频率为(c-v/λ。这一比值越大,改变就越显著,后人把它称为“多普勒效应”。

当然,多普勒效应从中学物理课本进入国人的视野是缘于一次非常的事件。 2014324日,在马来西亚航空公司的MH370在失去联络16 天之后,马来西亚总理纳吉布依据英国卫星公司Inmarsat提供的追踪数据和Inmarsat及英国空难调查处(AAIB)做出的结论:宣布MH370航班“终结”于印度洋。人们在表示不解和质疑的同时却惊奇地发现,马来西亚总理得出的结论正是由于Inmarsat公司专家“史无前例”地应用了多普勒效应中所阐述的原理——

据报道,MH370上的某些设备会定期向Inmarsat的卫星发送请求连接的Ping信号,专家称之为“握手”。而由于马航没有购买相关卫星服务,因此这种请求会被卫星拒绝。尽管两者间没有建立连接,没有办法收集当时飞机的状态信息,但此次Inmarsat的工程师们尝试了一种新的手段——他们对每一次Ping信号中隐含的多普勒效应进行了分析,这样做就能判断这个信号是被压缩了还是拉伸了。由于卫星定点于地球上空,马航的飞机当时正处于飞行状态,所以严格来说马航的这架飞机与卫星之间存在相对运动,距离也在不断发生变化。通过以纳秒(十亿分之一秒)级别的精度计算飞机与64.5度纬线(卫星定点于此纬度线上空)之间的相对运动,就能判断飞机的大致飞行位置。专家们分析了每一次Ping信号的方向信息,计算出飞机发送信号时的飞行角度,并利用三角测量法进一步完善了计算结果,测算出飞机的可能坠毁位置。专家们在短短的两周内就完成了理论上需要一年的建模和计算工作,得出了人们不愿意相信,但只能认同的结论。

其实,多普勒效应不仅仅是判断MH370命运的神器,在科学探索甚至日常生活中也不乏它的身影。科学家爱德文哈勃(Edwin Hubble)发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端(称为红移),天体离开银河系的速度越快红移越大,这说明这些天体在远离银河系;反之,如果天体正移向银河系,则光线会发生蓝移。据此他运用多普勒效应得出了宇宙正在膨胀的结论。在日常生活中往往有这样的现象,即一件事情或者一个理论命题在它刚刚发生的时候,出现的频率很高,给人们的震动很大;随着时间的推移,这些惹人眼球的事件或者命题就会渐行渐远,以致渺无声息。大家在感叹世态炎凉的同时,有没有想到所有关于事件及其表征(声音—消息—信息—资讯等)都符合多普勒效应中“当声源离观测者而去时,声波的波长增加,音调变得低沉,当声源接近观测者时,声波的波长减小,音调就变高”的原理,只是自己平时并没有十分在意和刻意总结或者没有多普勒那么幸运而已。

有鉴于此,大家不妨想想看:如果作为一名档案利用者/理论研究者的你,在经过一个铁路交叉口或者蹲在苹果树下时稍加留意,没准哪天一不留神还真的可以发现、发明一种什么(神马)“效应”“原理”,为人类社会做出重大的贡献,使自己有限的生命发挥更大的价值,使我们的学科骄傲地自立于世界学术之林。话已至此,大家应该懂的。

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