16 会车的声音为什么忽高忽低：多普勒效应

你有没有发现生活中的一种现象？当你乘坐一辆汽车，迎面驶来一辆鸣笛的救护车，你坐在车里听到救护车的声音，音调会变高，当它离你而去的时候，音调又变低了，但坐在救护车里的人听到的声音音调是不会变化的，这就是“多普勒效应”。

我们知道声音是一种机械波，声波其实就是介质的振动。比如，你能听见我说话，是因为空气振动传递到了你的耳朵里。波的形态一般可以描绘成波浪状。

我们听到声音音调的高低，其实是由声波的频率来体现的。频率越高的声音，听上去音调就越高，反之则越低。

波长和频率基本上描述的是同一件事。所谓波长，就是一个完整的波的长度，频率则是一秒钟的振动次数，频率越高则波长越短，频率越低波长就越长，波长和频率成反比。

理解了音调高是频率变高且波长变短、音调变低是频率变低且波长变长以后，就可以理解什么是多普勒效应了。当波的接收者和波源存在相对运动的时候，接收者接收到波的频率和波源发出的频率不一样。当我们听到音调变高了，其实是我们接收到声波的频率变高了，反之亦然。但是用频率来分析很难看出里面的原因，我们可以转换到波长的视角来看。当我们听到音调变高了，其实是声音的波长变短了，当我们听到音调变低了，其实是声音的波长变长了。

为什么会这样呢？我们可以这样考虑：波源发出波的时候，是先发出一个波头，在空中划过一个波长的距离，最后发出一个波尾。但如果这个时候波源再向我们靠近的话，在划出整个波的这段时间里，波源已经前进了一段距离，也就是当波源最终发出波尾的时候，波尾的位置已经比原本声源不动时候的位置要靠前了。于是这个波源发出的波就比原本的波的波长短了。对于接收者来说，波长短了，频率就高了。

另外，当波源远离接收者的时候，用类似上文的分析就知道，接收者收到的波长会变长，相应的频率就会变低。这就是多普勒效应，靠近的时候音调变高，远离的时候音调变低。

你发现没有，我们刚才在分析波的时候，并没有强调必须是声波。任何一种波都满足这种情况，光波也一样。光波的多普勒效应就对应天体物理里的两个概念，分别是红移和蓝移。红移的意思是当光源远离地球的时候，它的波长在我们看来会变长，于是光谱向红光的方向移动，看上去会偏红；蓝移则是当光源靠近地球的时候，它的波长在我们看来会变短，是光谱向蓝光方向移动，看上去就会偏蓝。当年哈勃就是通过望远镜观察到所有星系发出的光都发生了红移，从而推测出宇宙在膨胀的。