宇宙的尺度是靠红移推算出来的，但很多人还不太明白红移是如何测量出来的，关键的问题就是不知道光红移前原始的波长怎么测量出来的。其实红移是宇宙最常见的现象，如果没有红移，我们就没有办法算出宇宙的尺度。宇宙中目前有三种红移，多普勒红移，引力红移，宇宙学红移现在我们说光就是电磁波，广义上也可以说电磁波也是光，除了某些特定情况，一般情况下，电磁波和光不做区别，可以等效。
光有波长和频率两个特征，波长和频率成反比，波长在780nm到380nm的电磁波可以被人的肉眼看到，对应的颜色依次是红 橙 黄 绿 青 蓝 紫。一束波长为400nm的紫光在宇宙中飞行，由于宇宙空间的膨胀会导致波长增加，等传到地球上，波长就可能变成750nm了，这时候原先的紫光就变成红光了。宇宙中所有远离地球的星系发出的光线抵达地球前都会因为空间膨胀或者引力等其他原因出现波长增加的现象。波长增加在可见光端就是朝向红光移动，所以这种现象也叫红移。物理学家就可以通过红移量算出，发出这条光线的星系和地球之间的距离。
现在的问题是，你要通过红移计算距离，就要知道这束光红移前原始的波长，再结合抵达地球时的波长，可以算出波长差的比率，这个差值就是红移量，通过红移量和距离的关系式，然后就可以计算出距离了。然后真实的情况是，我们没有办法直接测量到原始的波长，一束光中所有光子的波长抵达地球时都红移了，谁知道原始波长是多少？
直接测量不出原始波长，那就另辟蹊径，比如利用吸收谱线。
吸收谱线对绝大部分人来说是个全新的概念，也不要害怕听不懂，我写文案的时候把这个已经很通俗化了。
以氢原子举例，它的原子核外只有一个电子。电子在原子核外是可以分布在不同的能级轨道上的。电子的能量不同，所处的能级轨道就不同。电子从一个能级转移到另一个能级轨道跃迁，过程并不像宏观物质那样 慢慢连续运动才逐步抵达到另一个能级上。电子轨道切换是跃迁的，一步到位，中间没有过渡。
电子的每个轨道有不同的能量值，假设现在氢原子核外电子有三个能级，所以就有3个轨道，轨道1的能级是-13.6ev，轨道2能级是-3.4ev，轨道3的能级是-1.51ev。轨道1和轨道2能量相差10.2ev的能量，轨道2和轨道3的能量相差1.89ev的能量。轨道1和轨道3的能量相差12.09ev的能量。当一个光子的能量只有轨道是一二，二三，一三的能量差时才能被电子吸收。自己可以通过普朗克公式E=hc／λ算一下。能量为10.2ev的光的波长为121.7nm，能量为1.89ev的光的波长为656.7nm，能量为12.09ev的光的波长为102.7nm。一束光线里有无数个光子，这些光子携带的能量并不一样，当一束光穿过氢原子时，只有能量刚好是核外电子轨道能级差的光子才会被电子吸收。这些特定能量的光子被电子吸收后，电子又会把这些光子以原来的能量值释放出来，但是释放出来的光子方向就和原来的方向不一样了，所以这些光子就不属于原来的光线了，如果换个角度观测再次被释放出来的这些光子，就会形成发射谱线。发射谱线以后有空再讲。
当这束光穿过氢原子后，抵达地球时，我们就会发现这束光里面，波长为102.7nm，121.7nm，656.7nm的光消失了因为这些消失波长的光被氢原子核外电子吸收后又释放到其他方向上去了。
我们按照这束光里面光子波长的大小，将其做成光谱，就会发现光谱缺失了一部分光，所以就会出现好几段黑格，这些黑格代表的就是核外电子轨道跃迁时吸收的光。这就是吸收谱线。对于不同的原子，其核外电子能级轨道不同，所以当一束光穿过不同原子时，不同原子的核外电子轨道跃迁所需的能量不同，就会吸收不同能量的光子，光谱上留下的黑格分布就不同。通过黑格的分布就可以断定光线到底穿过了哪种原子。科学家就是通过这种方式才能分析出某一星球的组成成分。
讲这么多，就是为了铺垫如何通过吸收谱线判断红移量。
太阳是宇宙中最常见的恒星，它的主要组成成分就是氢，太阳核心会发生核聚变，释放大量的光子，这些光子从太阳核心出发，会穿过太阳内部大部分的原子，当太阳光再抵达地球时，就可以通过这些光子得出的光谱看到黑格的分布，其中73%黑格的分布符合氢原子的吸收谱线，25%的黑格分布符合氦原子吸收谱线，剩下黑格分布符合氧，碳，氖，铁等原子的吸收谱线。所以可以判定太阳内部的组成成分，其中73%是氢，25%是氦。
假设我们现在接收到一个遥远星系发出的光，分析其中一部分光的吸收谱线，发现黑格之间距离的分布和太阳不一致，那么就证明，发出这些光的天体的组成成分和太阳不一样。那么就无法判定红移量。
要知道，太阳这种主序星是宇宙中最常见的恒星，接收到遥远星系的光线，必然有类似太阳这样的恒星发出的光夹杂其中。仔细排查就会发现，星系发出的一部分光的吸收谱线内，黑格之间的距离分布和太阳一致，但是这些黑格却整体朝向红光端移动。所以就可以断定，发出这些光的必然是遥远星系里和太阳组成成分相似的恒星。
但是由于红移效应，其吸收谱线的黑格会整体移动。所以就可以肯定，其吸收谱线中的黑格在红移之前和太阳是一致的。这些黑格相对于太阳的黑格，整体移动了多少，那么就红移了多少。
通过矫正，把这些黑格整体移动到和太阳吸收谱线一样的位置，那么黑格此时所处的位置代表的波长就是红移前原始的波长，设为λ｀。接收到的波长，设为λ。红移量z=λ－λ｀／λ｀。红移量z是个标量，通过哈勃-勒梅特定律可知：红移量和星系的距离的关系式是z=HD／c，c是光速，H是哈勃常数，D是星系和观察者的距离。由于H／c是个固定的系数，所以星系和观察者的距离与红移量呈线性关系，距离越远，红移量越大。将红移量代入到公式中，就可以算出星系和地球的距离。z为正数时，代表接收到的波长大于原始波长，所以光在飞行过程中波长增加了，向红光端移动，这就是红移。
z为负数时，代表接收到的波长小于原始波长，所以光在飞行过程中波长缩短了，向蓝光端移动，这就是蓝移。
其实，我刚才用哈勃定律的红移量推导星系距离是最简单的方式，哈勃常数的具体数值还有争论，其中涉及暗物质和暗能量。这已经是现代物理学最前沿的部分了。
原创不易，感谢点赞收藏！本人强烈推荐一本特别适合小孩学习物理的科普读物！《一分钟漫画物理》↓↓↓
光有波长和频率两个特征，波长和频率成反比，波长在780nm到380nm的电磁波可以被人的肉眼看到，对应的颜色依次是红 橙 黄 绿 青 蓝 紫。一束波长为400nm的紫光在宇宙中飞行，由于宇宙空间的膨胀会导致波长增加，等传到地球上，波长就可能变成750nm了，这时候原先的紫光就变成红光了。宇宙中所有远离地球的星系发出的光线抵达地球前都会因为空间膨胀或者引力等其他原因出现波长增加的现象。波长增加在可见光端就是朝向红光移动，所以这种现象也叫红移。物理学家就可以通过红移量算出，发出这条光线的星系和地球之间的距离。
现在的问题是，你要通过红移计算距离，就要知道这束光红移前原始的波长，再结合抵达地球时的波长，可以算出波长差的比率，这个差值就是红移量，通过红移量和距离的关系式，然后就可以计算出距离了。然后真实的情况是，我们没有办法直接测量到原始的波长，一束光中所有光子的波长抵达地球时都红移了，谁知道原始波长是多少？
直接测量不出原始波长，那就另辟蹊径，比如利用吸收谱线。
吸收谱线对绝大部分人来说是个全新的概念，也不要害怕听不懂，我写文案的时候把这个已经很通俗化了。
以氢原子举例，它的原子核外只有一个电子。电子在原子核外是可以分布在不同的能级轨道上的。电子的能量不同，所处的能级轨道就不同。电子从一个能级转移到另一个能级轨道跃迁，过程并不像宏观物质那样 慢慢连续运动才逐步抵达到另一个能级上。电子轨道切换是跃迁的，一步到位，中间没有过渡。
电子的每个轨道有不同的能量值，假设现在氢原子核外电子有三个能级，所以就有3个轨道，轨道1的能级是-13.6ev，轨道2能级是-3.4ev，轨道3的能级是-1.51ev。轨道1和轨道2能量相差10.2ev的能量，轨道2和轨道3的能量相差1.89ev的能量。轨道1和轨道3的能量相差12.09ev的能量。当一个光子的能量只有轨道是一二，二三，一三的能量差时才能被电子吸收。自己可以通过普朗克公式E=hc／λ算一下。能量为10.2ev的光的波长为121.7nm，能量为1.89ev的光的波长为656.7nm，能量为12.09ev的光的波长为102.7nm。一束光线里有无数个光子，这些光子携带的能量并不一样，当一束光穿过氢原子时，只有能量刚好是核外电子轨道能级差的光子才会被电子吸收。这些特定能量的光子被电子吸收后，电子又会把这些光子以原来的能量值释放出来，但是释放出来的光子方向就和原来的方向不一样了，所以这些光子就不属于原来的光线了，如果换个角度观测再次被释放出来的这些光子，就会形成发射谱线。发射谱线以后有空再讲。
当这束光穿过氢原子后，抵达地球时，我们就会发现这束光里面，波长为102.7nm，121.7nm，656.7nm的光消失了因为这些消失波长的光被氢原子核外电子吸收后又释放到其他方向上去了。
我们按照这束光里面光子波长的大小，将其做成光谱，就会发现光谱缺失了一部分光，所以就会出现好几段黑格，这些黑格代表的就是核外电子轨道跃迁时吸收的光。这就是吸收谱线。对于不同的原子，其核外电子能级轨道不同，所以当一束光穿过不同原子时，不同原子的核外电子轨道跃迁所需的能量不同，就会吸收不同能量的光子，光谱上留下的黑格分布就不同。通过黑格的分布就可以断定光线到底穿过了哪种原子。科学家就是通过这种方式才能分析出某一星球的组成成分。
讲这么多，就是为了铺垫如何通过吸收谱线判断红移量。
太阳是宇宙中最常见的恒星，它的主要组成成分就是氢，太阳核心会发生核聚变，释放大量的光子，这些光子从太阳核心出发，会穿过太阳内部大部分的原子，当太阳光再抵达地球时，就可以通过这些光子得出的光谱看到黑格的分布，其中73%黑格的分布符合氢原子的吸收谱线，25%的黑格分布符合氦原子吸收谱线，剩下黑格分布符合氧，碳，氖，铁等原子的吸收谱线。所以可以判定太阳内部的组成成分，其中73%是氢，25%是氦。
假设我们现在接收到一个遥远星系发出的光，分析其中一部分光的吸收谱线，发现黑格之间距离的分布和太阳不一致，那么就证明，发出这些光的天体的组成成分和太阳不一样。那么就无法判定红移量。
要知道，太阳这种主序星是宇宙中最常见的恒星，接收到遥远星系的光线，必然有类似太阳这样的恒星发出的光夹杂其中。仔细排查就会发现，星系发出的一部分光的吸收谱线内，黑格之间的距离分布和太阳一致，但是这些黑格却整体朝向红光端移动。所以就可以断定，发出这些光的必然是遥远星系里和太阳组成成分相似的恒星。
但是由于红移效应，其吸收谱线的黑格会整体移动。所以就可以肯定，其吸收谱线中的黑格在红移之前和太阳是一致的。这些黑格相对于太阳的黑格，整体移动了多少，那么就红移了多少。
通过矫正，把这些黑格整体移动到和太阳吸收谱线一样的位置，那么黑格此时所处的位置代表的波长就是红移前原始的波长，设为λ｀。接收到的波长，设为λ。红移量z=λ－λ｀／λ｀。红移量z是个标量，通过哈勃-勒梅特定律可知：红移量和星系的距离的关系式是z=HD／c，c是光速，H是哈勃常数，D是星系和观察者的距离。由于H／c是个固定的系数，所以星系和观察者的距离与红移量呈线性关系，距离越远，红移量越大。将红移量代入到公式中，就可以算出星系和地球的距离。z为正数时，代表接收到的波长大于原始波长，所以光在飞行过程中波长增加了，向红光端移动，这就是红移。
z为负数时，代表接收到的波长小于原始波长，所以光在飞行过程中波长缩短了，向蓝光端移动，这就是蓝移。
其实，我刚才用哈勃定律的红移量推导星系距离是最简单的方式，哈勃常数的具体数值还有争论，其中涉及暗物质和暗能量。这已经是现代物理学最前沿的部分了。
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