高中拓展 · 硬科幻模型 · 宇宙学 · 膨胀红移

光在宇宙中旅行,波长为何被拉长?

采用FLRW尺度因子关系,不把宇宙红移直接当作狭义相对论多普勒速度。拉大宇宙尺度因子比,观察同一列波被拉长。

问题的来处20世纪初 · 宇宙膨胀与红移

宇宙红移:问题从哪里来?

斯里弗测星系光谱、勒梅特建立膨胀模型、哈勃研究距离关系,逐步形成膨胀宇宙图景。遥远光的波长变化让宇宙历史可以被测量。

读一段背景,带着问题动手

斯里弗测星系光谱、勒梅特建立膨胀模型、哈勃研究距离关系,逐步形成膨胀宇宙图景。遥远光的波长变化让宇宙历史可以被测量。

本页用尺度因子解释宇宙学红移。空间膨胀的红移不能在所有距离都套用普通声源的多普勒公式。

现在,换你来试拉大宇宙尺度因子比,观察同一列波被拉长。 固定其他条件,亲手将红移z分别设为0.5和2,各核验一次;波长伸长几倍,单个光子能量变为几分之一?

宇宙红移

C20 / 宇宙学
今天的问题

波长伸长几倍,单个光子能量变为几分之一?

独立探索要做什么?

拉大宇宙尺度因子比,观察同一列波被拉长。 固定其他条件,亲手将红移z分别设为0.5和2,各核验一次;波长伸长几倍,单个光子能量变为几分之一?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
先看一次,再亲手试

从8到0 逐步改变红移z;这是条件比较,不是物理时间。暂停后可亲手调整。

尚未开始;也可直接使用装置旁的参数控件。
观测波长1000 nm0中线 · 各量独立标定

归一化波形显示拉伸比例;标尺显示实际观测波长。 图中量尺以0为中线,各量按默认值独立作非线性标定,长度不能跨量比较;精确数值与单位见读数。

青波:发射波金波:观测波两端:发射与接收位置
看这里 · 观测波长1000 nm

波长放大2.00倍,单光子能量降为0.5000;不是普通介质中波速改变。 归一化波形显示拉伸比例;标尺显示实际观测波长。

三维保留同一场、波或观测证据的空间示意;图线不是额外测得的实体轨迹,数值见同步读数。

观测波长
1000 nm
尺度因子比
2
光子能量/发射能量
0.5

波长放大2.00倍,单光子能量降为0.5000;不是普通介质中波速改变。 归一化波形显示拉伸比例;标尺显示实际观测波长。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

z=0表示这里的波长比是多少?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

1+z=a今/a发,λ观=(1+z)λ发;T观=T发/(1+z)。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

波长伸长几倍,单个光子能量变为几分之一?

换个条件,再试一次

z=0表示这里的波长比是多少?

看哪里?

三维保留同一场、波或观测证据的空间示意;图线不是额外测得的实体轨迹,数值见同步读数。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识宇宙学 · 膨胀红移涉及的量与单位:红移z(无量纲)、发射波长(nm)。高中拓展 · 硬科幻模型为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:拉大宇宙尺度因子比,观察同一列波被拉长。

再做定量:保持其他条件,比较红移z与观测波长(nm),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

1+z=a今/a发,λ观=(1+z)λ发;T观=T发/(1+z)。

对照核验提示:较近红移:红移z 0.5 ;较高红移:只改变红移z 2 。按这些题设自己操作并比较观测波长,不把参考情景当个人完成。

适用范围:波长放大2.00倍,单光子能量降为0.5000;不是普通介质中波速改变。 归一化波形显示拉伸比例;标尺显示实际观测波长。

NASA Science · 天文与行星科学阅读(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。