从萨尔茨河之波到洞察心腹之患的彩超

作者: 吴进远

来源: 知识分子

发布日期: 2017-04-13

本文介绍了多普勒的生平及其发现的多普勒效应,以及这一效应在现代科学中的应用,包括天文学、医学和日常生活中的实验。

大家都知道,奥地利的萨尔茨堡(Salzburg)是天才音乐家莫扎特的故乡。不过,萨尔茨堡是个挺大的城市,也是很多人的故乡,其中一位,是著名的物理学家多普勒。

克里斯蒂安•多普勒(Christian Doppler)1803年生于萨尔茨堡,1853年在因病逝于威尼斯,时年仅49岁。

多普勒1842年发表了一篇重要的文章,这篇文章的标题是:Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels(“双星的光色以及天空中的其它天体”),主要谈的是双星的颜色。他认为双星中朝向我们运动的那颗星光的频率变高,因而呈现蓝色,而离开我们运动的那颗星则呈现红色。

这篇文章的具体结论有的并不正确,但波源或观察者运动引起频率变化这样一个内核却得到科学界的认可,被后人称为多普勒效应。

无论如何,多普勒揭示了多普勒效应后,人们又多了一件认识宇宙的“神器”,对于遥远星系的光谱红移观测,以及由此总结出的哈勃定律,成了支撑宇宙大爆炸理论的四大支柱之一(另外三根支柱是:宇宙微波背景辐射,宇宙间轻元素的丰度以及宇宙大尺度结构与星系演化)。

我们以前介绍过,人们利用空谷回声的原理,开发出了B超等超声医学的检测与成像方法。有了B超,所谓“人心隔肚皮”(确切说是隔着胸腔壁)已经无法阻碍人们看到人体内部的各种内脏。超声医学检查成为帮助医生作出诊断的利器。然而仅仅通过B超,仍然有不少医生们希望知道的信息无法探测到。比如血管里的血液相对比较均匀,对超声波的反射比较小,因此在B超显示上,充满血液的心房心室血管等基本上是漆黑一团。

随着科学技术和工业的发展,我们现在已经可以非常方便地做成许多在多普勒生活的时代很难做的实验了。读者朋友可以找个自驾游的机会,做个简单的声学多普勒效应实验,像笔者在下面的视频中那样,开车到一段比较平直的公路上,按着喇叭疾驶而过。路边的观察者只要用手机,连声音带图像拍摄下汽车开过的录像即可。拍摄时垂直地对着公路一个固定位置,不要追踪汽车。

最好选择公路上有显著标记的位置,比如路面裂缝,以便后期分析时,可以通过录像测出汽车速度。录像拍好后,存到计算机里播放,分析。对实验结果,我们可以通过多普勒效应和直接的时间与距离测量两个方法计算汽车的速度,并互相比较。

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