光速相对于任何参考系不变，那为什么会有光的红移，蓝移现象呢？
科技领航人2020-03-07 16:51
当你看到充满宇宙的恒星和星系时，你所看到的光和那些恒星和星系所发出的光是不一样的。在它到达我们的眼睛之前，所发射的光必须已跨越了很长的距离——从最近的恒星的几光年到最遥远的星系的数十亿光年——并与宇宙所设置的每一个障碍相抗衡。那么我们怎么知道我们看到的光到底告诉我们什么呢？
图注：与中间星系相比，近距离和远距离的星系较少，但这是由于星系合并和演化的综合作用，也无法看到超远、超微弱的星系本身。在理解来自遥远宇宙的光如何发生红移时，有许多不同的效果在起作用。如果光在膨胀的空间中移动，其速度是否与潜在的空间膨胀有关？对于光速来说，红移或蓝移意味着什么？
图注：遥远的星系MACS1149-JD1被前景星系团引力透镜化，即使没有下一代技术，也能在多个仪器中以高分辨率成像。这个星系的光来自大爆炸后5.3亿年，但其中的恒星至少有2.8亿年的历史。它是第二远的星系，光谱证实距离我们307亿光年。想象一下有一个遥远的物体，它位于银河系之外。在你的脑海中，你可以简单地画一条直线，把遥远的银河系和我们联系起来，然后想象光线沿着这条直线直达我们的眼睛。做你能想象到的最直接的事情是很有诱惑力的：
计算这条线的距离（光年），想象一个光子离开它的星系，沿着这条线走了相当长的时间（以年为单位）来穿越太空，然后看到光子到达这里，我们所在的星球。只是，当我们测量来自遥远物体的光时，这些光在漫长的跨越中经历许多故事。这些光会受到沿途所有事物的影响，我们最终观察到的光与从遥远的银河系外光源发出的光截然不同。
图注：银河系越远，它离我们越远，它的光越显得红移。今天，一个随宇宙膨胀而移动的星系，其距离我们的光年数（乘以光速）将比它所发出的光到达我们的光年数还要远。但只有将红移和蓝移归因于运动（特殊相对论性）和空间膨胀结构（一般相对论性）两者的共同作用，我们才能理解它们。光，由于没有静止质量，但仍然携带能量和动量，在穿越宇宙时永远不能减速；它只能以光速行进。然而，一个有质量的物体总是比光速移动得慢——因为将其加速到光速需要无限的能量——光本身必须始终以相同的速度移动：c，或者真空中的光速。
只有当它不在真空中，即当它通过含有介质的物质时，光才会减慢。这种慢化对不同频率（或颜色）的光产生不同程度的影响，就像白光通过棱镜在不同角度分裂成不同颜色一样，因为光慢化的程度取决于光子的单个能量。然而，一旦它回到真空中，它就会以光速继续运动。唯一的区别是，光线经过介质后，会变得模糊了。
图注：光经过棱镜的色散动态图。在相对论的早期，爱因斯坦的理论和他们所做的预测就面临着大量的挑战。光在宇宙中总是以恒定的速度运动吗？难道真的不需要一种介质让光线穿过吗？空间的结构真的因为物质和能量的存在而弯曲和扭曲吗？宇宙真的在膨胀吗？
另一种选择是疲劳光场景，它预测光在穿过空间介质时会失去能量。到达的光似乎比一定发出的光能量要少，但是在经历了更远的距离后，没有变得模糊则排除了这一点。光在真空中以与波长无关的恒定速度运动，不需要实验和观察的介质。最令人兴奋的是，空间结构确实证明了质量附近的曲率，与爱因斯坦的预测一致。
图注：不仅太阳的日冕在日全食期间可见，而且在合适的条件下，恒星也位于很远的地方。有了正确的观察，人们可以根据牛顿引力的预测来检验爱因斯坦广义相对论的有效性。1919年5月29日的日全食，到现在整整100年了，这也许是人类科学史上最伟大的进步。但是，一个完全不同的思想实验，涉及引力红移，在几年前就证明了狭义相对论的不足。如果爱因斯坦的广义相对论（将狭义相对论和光速与引力的恒定性结合起来）是正确的，那么光速在宇宙中移动时永远不会改变。光可以经历的所有不同的事情，从穿过弯曲和膨胀的空间到穿过中间的物质（包括正常和暗物质），再到发射源和观察者的相对运动，都会影响它，但不是通过改变它的速度来影响光。
光补偿可能影响其能量的所有不同事物的方式是通过获得或损失能量，这可以转换为：
蓝移，对应于能量增益，波长缩短，频率增加，或红移，对应于能量损失，波长延长，频率降低。
图注：此简化的动画显示了光红移的方式以及未绑定对象之间的距离在膨胀的宇宙中随时间而变化的方式。请注意，物体的起始距离比它们之间飞行需要光的时间更近，由于空间膨胀而出现光红移，两个星系的间隔比光子之间交换的光传播路径要远得多。
当我们把一切都考虑进去时，我们发现光在穿越宇宙的旅程中有五种主要的方式受到影响。
（1）空间结构扩张。
这是我们看到的遥远星系红移的主要原因。光穿过空间结构，自大爆炸以来，随着时间的推移，空间结构不断膨胀，而膨胀的空间延伸了穿过它的光的波长。
由于光的能量是由它的波长决定的，所以光的红移越严重，离发射星系越远，因为离发射星系越远，它们的光最终到达地球需要更多的时间。我们天真的光沿着直线、不变的路径行进的画面，只适用于一个不膨胀的宇宙，它既不能描述我们所看到的，也不能描述广义相对论所预言的。宇宙正在膨胀，这是我们所看到的红移的主要原因。
图注：相对于观察者移动的发光物体，其发出的光会根据观察者的位置而移动。左边的人会看到光源远离光源，因此光线会红移；右边的人会看到光源朝着光源移动时，光源会蓝移，或者移到更高的频率。2）物体相对于我们的运动。
就像警笛向你移动时的音调更高，离开你时的音调更低一样，我们观察到的光的频率会根据光源和观察者的相对速度向更高的频率（蓝移）或更低的频率（红移）移动。
在天文学中，我们称之为“特殊速度”，因为它主要是由于所讨论的星系相对于我们的速度，通常是每秒几十万公里。同一距离的两个星系的红移或蓝移有很大的不同，特别是在那些奇特运动最快的丰富星系团内。事实上，我们可以解释和量化这一点，明确地告诉我们，这不是宇宙红移的主要贡献者。
图注：一个遥远的背景星系被中间充满星系的星系团严重透镜化，以至于可以看到三个背景星系的独立图像，它们的光旅行时间明显不同。3.）引力透镜。
空间的结构不仅在膨胀，宇宙中物质和能量的存在也使它弯曲。这种曲率意味着任何两点之间的距离不是一条直线，而是一条穿过空间的曲线：测地线。这取决于弯曲的空间有多大，这会在没有这些质量和额外曲率的情况下，将光的到达时间大大推迟，也就是说，光必须比它在膨胀的宇宙中传播的时间更长。
这个额外的时间延迟意味着光经历了额外的红移，甚至一个引力透镜光源在经过更多（或更少）严重弯曲空间的不同路径上显示了多个图像，对于不同的图像将有不同的红移。广义相对论要求这种效应存在，即使我们的天文设备还不足以探测到它。
图注：这张美国航天局/欧空局哈勃太空望远镜的图像显示了一个巨大的星系团，PLCK_G308.3-20.2，在黑暗中明亮发光。它是由欧空局普朗克卫星通过Sunyaev-Zel'dovich效应发现的，即星系团内部气体中高能电子对宇宙微波背景辐射沿星系团方向的扭曲。中心的大星系是星系团中最亮的星系，在它上面可以看到一个弯曲的引力透镜弧。这就是遥远宇宙中大片区域的样子。4）与物质的相互作用。
宇宙大多是空的，但物质仍然存在。特别是，大部分物质以气体（不同温度）或电离等离子体的形式存在。当光通过能与带电粒子（特别是电子）相互作用的物质时，其中一些光将被提升到更高的能量，在那里它将不再被观察到，从而改变了光的光谱。
虽然对于大爆炸遗留下来的光来说，这是最容易观察到的，但原则上它发生在所有形式的光上，并在到达探测器之前改变我们观察到的光的温度和光谱。由于气体/等离子体与通过它的光相互作用的温度、运动和偏振，这会影响光。它在实践中仅起很小的作用，但确实有效果。
图注：当一颗恒星接近并到达其绕恒星质量或超大质量黑洞轨道的近点时，其引力红移和轨道速度都会增加。如果我们能够测量出绕轨道运行的恒星的适当效应，我们就应该能够确定中心黑洞的性质，包括它的质量，以及它是否遵守狭义相对论和广义相对论的规则。
5.）引力红移。当你是一个发出光的大质量物体时，光必须从你的质量产生的引力势中爬出来。由于光不能减速（它总是以光速移动），这意味着它必须失去能量才能到达星际或星系间空间。类似地，在光到达你的眼睛之前，它必须落入我们本地星系、银河系和太阳系的引力势中，导致能量增加和蓝移。
所有这些都会影响光的频率。除此之外，随着时间的推移，结构在宇宙中积极形成，因此光子落入的引力势（比如说，如果它穿过星系团）可能与数百万年后光子爬出时的引力势不同。这些效应——包括引力势和引力势的变化——已经被探测到，并促成了最终观测到的光的红移。
图注：在完整的紫外线可见光下，哈勃极限深场的一部分，这是迄今为止获得的最深图像。 此处显示的不同星系的距离和红移不同，这使我们能够了解宇宙今天是如何膨胀，以及该膨胀率是如何随着时间变化。光的速度在空间的真空中永远不会改变；只有当光通过一种介质时（并且只有当光通过这种介质时），光的速度才会不同于宇宙终极速度极限c。然而，当光穿过宇宙时，有五种真正的效应会引起红移或蓝移，最重要的是我们现在可以定量地解释所有这些效应。
这就是宇宙中物质的作用，空间不断膨胀和演变的结构，以及不同质量和形式的能量是如何通过和影响这个空间的。所有这些都会影响穿过太空的光，但不是通过改变它的速度。相反，它们改变了光的传播路径和光所拥有的波长，这使得一切都不同。只有把所有的影响都考虑到一起，我们才能真正理解光在膨胀的宇宙中传播时发生了什么。
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