诞辰快乐,多普勒!

2017年 11月 29日

想象这样一个场景:你正在高速公路上行驶,一辆救护车鸣着警笛驶过,当救护车经过你的车并慢慢驶离后,你发现警笛的音调也降低了。这种现象产生的原因就是以物理学家、数学家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)的名字命名的多普勒效应。

为成功的职业生涯奠定基础

1803 年 11 月 29 日,克里斯蒂安·多普勒出生在奥地利萨尔茨堡的一个石匠家庭。多普勒家族经营石匠生意多年,成绩斐然,克里斯蒂安·多普勒长大后也有望加入石匠行列。然而,由于身体虚弱,多普勒最终走上了另一条职业道路。

克里斯蒂安·多普勒的肖像
克里斯蒂安·多普勒。图片通过 Wikimedia Commons 在美国公共领域共享。

多普勒曾经在新成立的维也纳理工学院(Vienna Polytechnic Institute)学习数学,后来进入维也纳大学(University of Vienna)学习数学和力学。

1829 年,多普勒完成学业后成为了一位教授的临时数学助理。在此期间,他发表了多篇论文。在尝试寻找一个更长期稳定的工作时,他在一家棉纺厂找到了一份记账员的工作,一干就是 18 个月。找工作对多普勒来说并不是一件简单的事,他还曾考虑搬到美国去找工作。

1835 年,多普勒的职业生涯取得了突破性进展,获得了在布拉格任教的机会,但这份工作并没有持续多久,随后多普勒继续尝试不同的职位。1850 年,他成为维也纳大学物理研究所所长,达到了事业的顶峰。

发现多普勒效应

多普勒的著作涉及磁学和电学等多个领域,但他最为人熟知的是多普勒原理。1842 年,多普勒在他著名的论文《论双星与天空其他恒星的色光》(On the coloured light of the double stars and certain other stars of the heavens)中首次提出了这一理论。

多普勒通用理论认为,观测到的波(如光波或声波)的频率取决于波源和观测者的相对速度。换句话说,波长或频率的变化是由于观察者相对于波源的移动而发生的,这个理论后来被称为多普勒效应(或多普勒频移)。多普勒预言,未来的天文学家将利用这一理论计算恒星的运动和距离。

视觉上表示多普勒效应的图像。
显示使用 COMSOL Multiphysics® 创建的多普勒频移教程模型的仿真结果图像

多普勒效应的直观描述(左)和声波从声源传播的仿真(右)。左图通过 Wikimedia Commons 在公共领域共享。右图来自由 COMSOL Multiphysics® 仿真软件创建的多普勒频移教程模型。

为了验证这一理论,当时的科学家们做了一些相当不寻常的实验,包括让音乐家在行驶的火车上吹奏小号,然后记录乐器的音调。这个实验成功地证明了多普勒效应,因为当火车靠近时,小号的音调明显变高,而当火车驶过时,音调则变低。

多普勒效应的众多应用

如今,多普勒效应已被用于多个科学领域,其中一个领域就是多普勒本人所预言的天文学。在这一领域,天文学家利用多普勒效应确定恒星、行星和星系相对于地球的方向和速度,从而获得了各种重要的天文观测。

多普勒效应还可用于雷达和声纳系统、风力激光雷达、卫星通信、血流测量和、临床超声心动图等。

今天是克里斯蒂安·多普勒的诞辰,谨以此文纪念他的伟大贡献!

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