本文從愛因斯坦追光實(shí)驗(yàn)入手，用通俗易懂的語(yǔ)言介紹了多普勒頻移現(xiàn)象。

愛因斯坦是20世紀(jì)最偉大的天才，他從小就喜歡思考各種深刻的科學(xué)問題。他很少做實(shí)驗(yàn)，但他以一種獨(dú)特的思考方式來替代實(shí)驗(yàn)，即思想實(shí)驗(yàn)。

在愛因斯坦16歲時(shí)，他曾提出一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，他想象與光速賽跑時(shí)可能看到的景象，這就是愛因斯坦的追光實(shí)驗(yàn)。

一方面他知道，根據(jù)麥克斯韋方程，真空中的光速是一個(gè)常數(shù)。所以，無論以多大的速度追光，他看到的光行進(jìn)的速度都一樣。

另一方面他認(rèn)為，根據(jù)伽利略的速度相對(duì)性，當(dāng)以光速的速度追光時(shí)，光雖保持波浪形式，但卻似凝固了一樣，止步不前。

后面這種情況與電動(dòng)力學(xué)矛盾，愛因斯坦隱隱地想到，光速或許是不變的？據(jù)稱，這為他日后提出狹義相對(duì)論埋下了思想的火種[1]。 現(xiàn)在，學(xué)過相對(duì)論的人都知道，真空中的光速的確是一個(gè)不變量。它的值是被定義的，等于299792458m/s。所以，無論你以多大的速度相對(duì)光源運(yùn)動(dòng)，光速都是不變的。 所以，追光是永遠(yuǎn)追不上的！既然追不上，那自然也無法逃離光的追趕了，因?yàn)樗偸且源_定的速度朝你奔來。 這樣一來，很容易會(huì)想到，當(dāng)強(qiáng)光——例如高能激光，從后面射來時(shí)，你逃跑是沒用的，因?yàn)樗乃俣瓤偸悄敲纯欤芤舶着埽?這就是最近一位小朋友提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)——他稱之為“逃光實(shí)驗(yàn)”。他的結(jié)論是，面對(duì)激光射來，即使光速逃離都無濟(jì)于事。

那么，真是這樣嗎？ 為了回答這個(gè)問題，我們先搞清楚一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)。 有一位飛行員感到耳后有個(gè)像蟲子似的東西在撓癢癢，他伸手一抓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是一顆滾燙的子彈。原來是一顆射向自己的子彈剛好追上他的戰(zhàn)斗機(jī)。 還有更奇葩的，曾有飛行員被自己射出的炮彈的彈片打中了，因?yàn)樗娘w機(jī)飛得太快了，趕上了先前射出的炮彈。

這里有個(gè)問題，從物理上講，如果不考慮后續(xù)的爆炸（那個(gè)問題太復(fù)雜），決定造成傷害程度的量是什么呢？ 相對(duì)速度？不！應(yīng)該是子彈或彈片相對(duì)飛行員的動(dòng)能。試想，一粒細(xì)小的塵埃，即使它飛得再快，對(duì)你也不會(huì)造成什么傷害。 假設(shè)一顆子彈的質(zhì)量為，在飛行員看來，它的速度為，則它的動(dòng)能為，而人體必須承受這么大的能量的打擊。 若飛行員的防彈衣和他的糙皮厚肉的阻力能輕松克服子彈的動(dòng)能，那就不會(huì)有事了；但若子彈必須進(jìn)入體內(nèi)，其動(dòng)能才會(huì)被耗完，那就危險(xiǎn)了。 可見，決定傷害程度的，不是子彈的速度，而是子彈的動(dòng)能。 當(dāng)高速逃離子彈時(shí)，子彈的速度減小，動(dòng)能也減小，就可降低傷害了。 所以，一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)是，為了降低傷害，要逃離的不是子彈本身，而是子彈的能量！ 那么，對(duì)于射來的激光，它同樣有能量，雖然逃脫不了激光本身，但若能逃脫它的能量，那豈不是就等于逃脫激光了？ 沒錯(cuò)！根據(jù)光的多普勒效應(yīng)，結(jié)論的確如此。 根據(jù)光的量子理論，單個(gè)光子的能量為其中是光的頻率，為普朗克常數(shù)。 根據(jù)光的多普勒效應(yīng)，當(dāng)觀察者以速度逃離光源時(shí)（速度沿觀察者與光源的連線方向），設(shè)光源發(fā)出的光的頻率為，則觀察者接收到的光的頻率為天文學(xué)中的紅移現(xiàn)象，就是多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的。人們根據(jù)紅移現(xiàn)象了解到宇宙正在膨脹中。

所以，當(dāng)以速度逃離光源時(shí)，單個(gè)光子的能量為 顯然，逃離光源會(huì)使光子的能量降低。并且，逃得越快，能量降低越多。 倘若逃離速度無限接近光速（當(dāng)然是不可能的），即，根據(jù)上式可知，此時(shí)。 若你真的實(shí)現(xiàn)了光速逃離，那在你看來，無論激光多強(qiáng)，它的能量變?yōu)?了，光實(shí)際上完全消失了，對(duì)你當(dāng)然是毫發(fā)無損了！ 再回到愛因斯坦的追光實(shí)驗(yàn)，如果你真的以光速的速度去追光，因?yàn)榇藭r(shí)你也是以光速遠(yuǎn)離光源的，所以也會(huì)造成無限的紅移的現(xiàn)象，光的能量趨近于零，光被你追沒了！ 當(dāng)然，如果對(duì)著光源迎頭而上，那上式仍然適用，只不過此時(shí)本身帶了一個(gè)負(fù)號(hào)，所以一切都倒過來——頻率將升高，能量將變大。 高能物理中重離子碰撞，就是利用兩個(gè)粒子高速對(duì)撞，從而產(chǎn)生巨大的能量的[2]。

參考文獻(xiàn)

[1]https://sites.pitt.edu/~jdnorton/Goodies/Chasing_the_light/

[2]https://www.bnl.gov/rhic/physics.php

END