彩超影像丨图片来自Inmagine
撰文 | 吴进远（美国费米国家加速器实验室）
责编 | 陈晓雪
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大家都知道，奥地利的萨尔茨堡（Salzburg）是天才音乐家莫扎特的故乡。不过，萨尔茨堡是个挺大的城市，也是很多人的故乡，其中一位，是著名的物理学家多普勒。
图1：萨尔茨堡
图2：莫扎特和多普勒
克里斯蒂安•多普勒（Christian Doppler）1803年生于萨尔茨堡，1853年在因病逝于威尼斯，时年仅49岁。
多普勒1842年发表了一篇重要的文章，这篇文章的标题是：Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels（“双星的光色以及天空中的其它天体”），主要谈的是双星的颜色。他认为双星中朝向我们运动的那颗星光的频率变高，因而呈现蓝色，而离开我们运动的那颗星则呈现红色。
这篇文章的具体结论有的并不正确，但波源或观察者运动引起频率变化这样一个内核却得到科学界的认可，被后人称为多普勒效应。
多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。
我小时候在一本科普杂志上读过一个短文，说是一个音乐家和一个物理学家坐的火车在一个小站停靠，对面一列火车鸣笛驶过。音乐家说：听啊，对面火车的汽笛声从G变成了F。物理学家说，我能算出对面火车的速度是20米/秒。
这个短文太生动了，以至于我曾经一度添油加醋地臆想，那音乐家和物理学家想必是同乡，一个是莫扎特，另一个是多普勒。不过后来认真查了资料，才知道我的臆想是关公战秦琼，确切说，是双重的关公战秦琼。
第一重关公战秦琼是两个人生活的年代，莫扎特1791去世后，又过了十多年，1803年多普勒才出生。
第二重关公战秦琼是，多普勒似乎并没有见到火车鸣笛呼啸而过这个“典型”的多普勒效应现象，至少在他1842年的文章中没有提及见过。他在1842年那篇著名的文章中的确谈到声源的运动会引起频率变化，而且算出当速度达到40米/秒时，音符C会变成D。不过他把这种声频的变化看成是一种想象或假说，这个声学的假说在三年后才由荷兰化学家兼气象学家巴洛（Buys Ballot）用实验证实——那个年代，有人说你的声学是化学老师教的，想必是一种赞美？
至于多普勒为什么没有观察到火车鸣笛呼啸而过的多普勒效应现象，我不知道，有兴趣的读者可以自己考证。也许那时候火车跑不了那么快？或者那时候火车司机很文明礼貌，不乱拉汽笛？
在那个时代写科学论文，大概也要像现在这样，通过一个司空见惯、人人皆知的现象来介绍新概念。多普勒文章中所提到的一个人人皆知的多普勒效应现象，是船舶迎着波浪航行，波浪拍打船底的频率会增加。那么，他是在哪里见到这个现象的呢？对此我同样无法考证，但我觉得应该就在萨尔茨堡的萨尔茨河。我去萨尔茨堡旅游时，曾经乘船在河中观光，有的河段也是一条大河波浪宽的景色。
图3：萨尔茨河
多普勒的家离河边很近，步行3分钟即可到达。
图4：多普勒的出生地
无论如何，多普勒揭示了多普勒效应后，人们又多了一件认识宇宙的“神器”，对于遥远星系的光谱红移观测，以及由此总结出的哈勃定律，成了支撑宇宙大爆炸理论的四大支柱之一（另外三根支柱是：宇宙微波背景辐射，宇宙间轻元素的丰度以及宇宙大尺度结构与星系演化）。
在实际应用方面，人们从雷达的回波信号中测定频率移动，从而测量运动目标的速度。多普勒雷达除了用来测定飞机的速度，还可以测定大气中水滴或冰滴的运动速度，由此判断周围一定区域内的降水情况。
图5：多普勒雷达显示的降水情况
多普勒雷达也不仅用在看天。回到地面，警察常常用测速雷达来抓飙车族，不过更多的时候，还是被用来提醒守法的公民不要超速，如下图。
图6：测速雷达
我们以前介绍过，人们利用空谷回声的原理，开发出了B超等超声医学的检测与成像方法。有了B超，所谓 “人心隔肚皮” （确切说是隔着胸腔壁）已经无法阻碍人们看到人体内部的各种内脏。超声医学检查成为帮助医生作出诊断的利器。
然而仅仅通过B超，仍然有不少医生们希望知道的信息无法探测到。比如血管里的血液相对比较均匀，对超声波的反射比较小，因此在B超显示上，充满血液的心房心室血管等基本上是漆黑一团。
好消息是，血液是流动的，声波在流动的血液里传播，然后反射回到超声换能器探头，反射波显现出的频率与发射波会有所不同。内脏中不同部位的频率移动体现出那里的血流速度的不同。根据血流的方向已及随时间的变化，医生可以辨别各种心血管病变，能够可靠地发现血液的分流和返流等。
下面是笔者心脏检查结果的几个截图。图中红色部分表示血流方向朝向探头，蓝色部分表示血流方向离开探头，而探头在图的顶部。
图7：心脏的彩超检查结果
从图中可以看出，在心脏跳动的不同相位，心脏内血液的流向也随之变化。
下面的视频是对着电脑屏幕直接拍摄的，尽管分辨率不是很好，但通过动态的彩超图，可以帮助读者看清楚血流的变化。
彩蛋：一个简单的声学多普勒效应实验
随着科学技术和工业的发展，我们现在已经可以非常方便地做成许多在多普勒生活的时代很难做的实验了。读者朋友可以找个自驾游的机会，做个简单的声学多普勒效应实验，像笔者在下面的视频中那样，开车到一段比较平直的公路上，按着喇叭疾驶而过。
路边的观察者只要用手机，连声音带图像拍摄下汽车开过的录像即可。拍摄时垂直地对着公路一个固定位置，不要追踪汽车。最好选择公路上有显著标记的位置，比如路面裂缝，以便后期分析时，可以通过录像测出汽车速度。
录像拍好后，存到计算机里播放，分析。对实验结果，我们可以通过多普勒效应和直接的时间与距离测量两个方法计算汽车的速度，并互相比较。
图8：实验情景
用多普勒效应计算，必须测定汽车喇叭声的频率变化。我们在手机上下载一个名叫Spectrum View的APP。启动手机上的APP，在计算机上播放汽车驶过的录像，汽车喇叭的声音在APP上显示出如下的谱图。
图9：汽车喇叭声音的谱图
我们可以看出，汽车喇叭声包含了很多不同的频率成分，在谱图中呈现出一些水平线。汽车掠过时，这些频率成分出现从高到低这样一个变化过程。我们选取一个初始频率比较高的成分，如图中箭头所示。这个成分开始时的频率为4560 Hz左右，汽车驶过后，频率降低到4000Hz左右。根据多普勒效应，这两个频率的比值f1/f2与汽车速度v以及声速c的关系为：
v/c = (f1/f2 - 1)/ (f1/f2 + 1)
由此可以算出，汽车的速度约为22米/秒（假定声速为340米/秒）。
我们也可以通过录像直接测量来计算汽车的速度。实验中的汽车总长为4.77米，利用这个数据，不难算出，从下面图10（a）到（b）之间，汽车行驶了约4.8米（我们可以为读者提供更多数据，以方便读者做更高精度的较核：前门装饰条处长1.07米，后门长0.79米）。
(a)
(b)
图10：汽车驶过地面标记的情景
图10（a）到（b）在录像中间隔6幅画面，而录像的速度为30幅/秒。由此可以算出，汽车的速度为24米/秒，与用多普勒效应计算的结果接近。（24米/秒 = 86公里/小时 = 53英里/小时，好像作者当时开车确实是这个速度）
不过这两种测量方法还是存在大约10%的差别，这个差别可能是由于测量时有风引起的。
有的读者可能会问，在量子力学、相对论、引力波的时代，重复这种170多年前的实验有什么意义呢？其实物理学新知识的出现，并不代表经典物理知识已经过时，而经典物理知识的发现与验证过程中体现出的思想方法，始终值得当代的科学工作者学习。根据笔者自己的体会，在闲暇时，在没有考试压力的情况下，细致地重复重复这些经典实验，不仅有趣好玩，对于我们平日的科研工作也有着非常宝贵的启迪作用。
制版编辑：李 赫丨
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