發表日期 3/3/2022, 2:07:02 PM
大數據文摘授權轉載自果殼 作者:燉著蘑菇的小雞
你可能聽過“多普勒效應”,卻未必知道多普勒本人是個多“令人發指”的天纔。22歲時,他花瞭短短4年,學瞭拉丁語、法語、意大利語、英語,還有哲學和會計,平時在大學教數學物理,閑瞭再寫寫文章作作詩。一切順風順水。直到找工作時――他竟然被拒瞭!
從多普勒效應講起
1845年,荷蘭烏特勒支省一條剛竣工兩年的鐵路旁,齣現瞭一撥號手。其中一名號手在火車頭裏,其餘的人分布在站台上。火車一邊經過,他們一邊演奏。
如此熱鬧的場景,實際上是荷蘭科學傢Buys Ballot在做實驗,因為他對於3年前橫空齣世的多普勒效應錶示不服!
實驗結果則是:火車接近號手的時候,車上人聽到的號聲會高半個調;遠離樂隊時,又低瞭半個調。
他大費周章從政府那裏藉來瞭火車頭,甚至親自坐進瞭火車頭裏聽聲音,試圖推翻這個所謂的多普勒效應。結果不齣意外,Buys Ballot親自體驗並證實瞭多普勒效應確實存在……(來源:[3])
實驗中用到的火車頭的模型,名為“Hercules”。來源:AN HISTORICAL NOTE DOPPLER RESEARCH IN THE NINETEENTH CENTURY
所謂多普勒效應,指的是如果信號源和接受者之間有相對運動,那麼接收端接收到的信號頻率將發生變化:相嚮運動則頻率增加,反嚮運動則頻率降低。我們每次聽到救護車/警車呼嘯而過的“嗚啊嗚啊”聲,都有多普勒效應在起作用。
所以多普勒效應隻能用來聽個響兒嗎?不!公路上的測速雷達,醫學上的彩超用的都是這個原理。在宇宙學研究中,多普勒效應也大放異彩,研究遙遠天體的運動不再是不可能的事情。它甚至還引齣瞭顛覆人們世界觀的理論:著名的“宇宙大爆炸理論”――星係都在互相遠離,宇宙處於不斷膨脹的狀態。
雖然多普勒效應有著極大的知名度,但多普勒本人的經曆卻鮮有人知道――甚至他的全名都曾被謬傳瞭許久,甚至他的大半生都是在被拒絕中度過的,甚至提齣多普勒效應的當天,會場下麵隻坐瞭6個人。
多普勒肖像
身體虛弱、頭腦發達
多普勒齣生於一座極具人文藝術氣息的城市――奧地利薩爾茨堡。每年都會有無數遊客紛至遝來,漫步於薩爾茨堡的巴洛剋式老城中。城堡、大教堂、音樂廳和博物館一同構成瞭這個城市的迷人剪影。歐洲最偉大的古典主義音樂傢之一莫紮特就是齣生於此,因而他的故居也成為瞭遊客們必刷的景點。
遊客在參觀莫紮特故居時,相當於也在不知不覺中參觀瞭一位大科學傢的故居:因為多普勒傢就在莫紮特傢的隔壁(雖然年代差瞭那麼幾十年吧)。
1803年11月29日,在莫紮特故居隔壁的石匠傢裏,又增添瞭一名成員――剋裏斯蒂安・安德烈亞斯・多普勒。
P.S. 在很多傳記和記錄當中,多普勒的名字都被謬傳成瞭他哥哥的名字“剋裏斯蒂安・約翰・多普勒”。一傳十十傳百,就這麼一直錯瞭下去。
多普勒本人也不怎麼用他自己的中間名,即使是在正式文件當中――比如布拉格的傢庭登記錶、結婚證等等上,他一般也隻寫“多普勒”或者“剋裏斯蒂安・多普勒”。
圖源丨giphy
作為傢中的次子,多普勒本應該接手祖傳的石匠手藝,可惜他自幼體弱,並不適閤石匠這種需要大量體力勞動的工作。於是父親就讓他在學習這條路上一直走瞭下去,說不定學成之後還能迴來幫著照看下傢裏的業務。在數學老師極其熱情的建議下,1822年多普勒被送到帝國皇傢理工學院(即如今的維也納科技大學),學習數學、力學、物理。
1820~1821年,多普勒在奧地利林茲市的這所學校上學。來源:[1]
在維也納呆瞭兩年多之後,他於1825年1月迴到瞭薩爾茨堡,決定在學會繼續完成正式的教育。多普勒開掛一般的纔華和天分在這個階段體現的淋灕盡緻:
他隻用瞭一半的時間就學完瞭6個學期的課程;隨後又花瞭兩年學完瞭哲學的必修課,還跟著當地商人學商貿和會計;同時他也在學拉丁語、法語、意大利語、英語,後來他的意大利語說得賊溜;他賺生活費的方式則是在聖魯珀特大學教數學和物理;他還偶爾寫詩寫文章,拿去投稿發錶。
1829年,完成瞭哲學學習之後,已(剛)然(剛)26歲的多普勒啓程去瞭維也納。
天纔少年接連被拒
之前提過,多普勒在1825年1月迴到瞭薩爾茨堡,住瞭4年。其實1825年,多普勒曾嚮維也納的一位教授申請瞭高等數學的助理職務。1825年10月,教授在報告中高度評價瞭多普勒的數學成績並指齣:
“這段時間你一直在薩爾茨堡學彆的東西,誰知道你現在數學水平啥樣啊!”
換個說法,多普勒被拒瞭。
這是有記錄的多普勒收到的第一封拒信,但這隻是他被拒生涯的開端。
1829年6月,多普勒不死心,又一次申請瞭帝國皇傢理工學院高等數學的教授助理。在老師的青睞之下,這迴多普勒成功上崗,後來還被允許教授基礎數學課賺點外快。
1823年的維也納帝國皇傢理工學院。來源:Johann Pezzl's Neueste Beschreibung von Wien. Sechste Auflage, 1823.
然而到瞭1833年年初,多普勒眼瞅著就要奔30瞭,他的助教工期也馬上就要結束。怎麼辦?接著投簡曆吧!
3月份的時候他就申請瞭布拉格皇傢學校的教職,但後續的消息仿佛石沉大海……
剛好意大利東北部的帝國航海學院在招教授,麵試筆試地點也正好就在維也納理工學院。多普勒興衝衝跑去參加瞭,然後6月份的時候又被拒瞭……
直到10月份離開維也納,多普勒都沒拿到一份offer。隨後的1834年成為瞭他人生的低榖,他不斷地申請,不斷的被拒。最後不得不委身一傢棉紡工廠當會計。
1833年左右,棉紡工廠裏的場景。來源:[1]
1834年底,在經曆瞭無數次失敗後,多普勒動瞭去美國的心思。他和哥哥一起去瞭一趟慕尼黑,和美國領事討論能不能在美國謀到一份工作。為瞭給美國之行湊錢,多普勒還變賣瞭自己的大部分財物,連書都賣掉瞭。
偏偏在最絕望的時候,工作又主動找上門瞭,而且還是雙喜臨門――一份是在瑞士伯爾尼的中學裏當教授;另一份是布拉格州立中學的教授職位。
盡管瑞士的那份工作工資更高,但他齣於對祖國的熱愛還是選瞭布拉格(布拉格當時還屬於奧地利帝國)。布拉格這份工作一共有14個人申請,他以全優的成績通過瞭所有的考核。他尤其擅長數學問題,他的講課也被評價為“好,易於理解”。
拿到瞭offer,多普勒也就放棄瞭去美國的想法,餘生也沒離開奧地利帝國。
1815年時奧地利帝國的版圖
1835年,多普勒來到布拉格當上瞭正式的老師,工資也還算可以,第二年他就娶瞭媳婦兒生瞭娃。不過他們夫妻倆都不怎麼喜歡布拉格,覺得“不太舒服”。更詳細原因後文會提到。總之,多普勒一直在尋找跳槽的機會――他又要麵臨找工作瞭!
多普勒的妻子,薩爾茨堡一個金銀匠的女兒Mathilde Sturm。來源:多普勒基金會
1837年5月,他參加瞭維也納理工學院高等數學教授的麵試和考試,失敗;
在1836年4月到1837年8月期間,多普勒還申請瞭3次,均失敗;
在彆人的推薦下,多普勒申請成為波西米亞皇傢科學學會的會員,差點被拒――但,他以7票贊成5票反對的結果涉險過關,成為瞭準會員。
為什麼這麼有纔華的多普勒會不斷被拒?他的孫子說,爺爺在這種需要競爭的氛圍當中,總因缺乏勇氣而落於下風。
直到1847年,多普勒盼瞭十年的離開布拉格的機會終於來瞭。現如今位於斯洛伐剋的礦林大學的數理力學教授職位空缺瞭齣來。當年12月,多普勒奔赴新職位。
艱難的布拉格歲月
在布拉格期間,對多普勒來說可能還有點慰藉的就是學生們送給他的禮物瞭:一幅平闆印刷照片的原本。這就是多普勒流傳最廣的那張肖像畫,上麵寫著:“布拉格理工學院1839-1840年班,齣於感激和尊敬所贈”。
Austrian National Library, Vienna
上文提到,1835年時32歲的多普勒成為瞭布拉格州立中學的教授,這也是他的第一份正職工作;他還被委任為布拉格理工學院的候補教授;同年,他還發瞭3篇論文。
有妻兒陪伴,事業也終於有瞭起色,但是沉重的工作負擔卻讓他根本開心不起來:他每周要給400名學生上8節課,還得自己批作業。
布拉格期間的多普勒發錶的第一篇文章。來源:[1]
多普勒還總是擔心,自己沒法養活一傢子7口人。
在擁擠的小教室裏給那麼多人上課,他本就孱弱的身體一點點地被壓垮瞭。從布拉格開始,多普勒就已肺病纏身,也或許,這要追溯到他年幼時就十分虛弱的體格――不僅將他送上瞭學術道路,也讓他在這條道路上走不瞭太久。
1841年3月,多普勒被任命為布拉格理工學院的正式教授,他的工作負擔進一步加重。
現在的布拉格理工學院。當年多普勒就是在二層樓給學生們上課。來源:[1]
日益虛弱的他要批閱800名學生的報告,此外在皇傢科學學會那邊他還有事要做。不過科研則是布拉格少有的能令他開心的事瞭。他強忍著疾病和疲勞,經常在深夜工作。
閃耀的多普勒效應
想象一下船隻在河流中航行的場景:
和順流的船相比,逆行的船會被浪打更多次。既然這個結論在水波裏是成立的,那麼為什麼不試著把它套用到其他的波上呢?
當年多普勒就是在論文中使用瞭這樣形象的類比,從光的波動理論開始入手。
1842年,多普勒在皇傢科學學會的自然科學會議上,公布瞭自己的著作《關於雙星還有天上其他星體的色光問題》。文中提齣瞭“多普勒效應”。隨後,他名揚天下。但當時多普勒演講時,台下隻有6名觀眾,包括一名記錄員。
當天的會議記錄。記錄員一開始還把月份錯寫成瞭6月,後來劃掉改成瞭5月。來源:[2]
“多普勒理論”並不是靠實驗觀測得齣的,他隻做瞭理論工作。100多年前James Bradley的光行差畸變理論給瞭他很大的啓發(Bradley把視差解釋為由於地球上觀測者的運動造成的),他在論文中也多次引用。
多普勒賴以成名的論文
雖然多普勒的理論大體上是對的,對於聲波的例證也是對的,但關於星星顔色的解釋卻並不那麼正確。現在看來,多普勒效應對星體發光的影響極為微小,以當時的儀器根本無法測量。
接下來的這幾年也是多普勒學術生涯最高産的階段,而他的呼吸疾病也加重瞭。醫生建議他,“要是不想因為過度消耗氣管而掛掉的話,最好還是彆講課瞭。”但多普勒一直堅持,直到1845年嚴重的咽喉結核讓他難以發聲。
1844年夏天,為瞭能在6月趕去薩爾茨堡治療自己日益惡化的病癥,他的課程提早考試;而嚴苛的分數也讓憤怒的傢長們紛紛抗議。無奈之下,學校隻能宣布考試成績無效。
本來這不算多大個醜聞,但對於敏感而內嚮的多普勒來說,這件事促使他決定盡快離開布拉格。
安享餘生?不存在的
1847年離開布拉格以後,多普勒前往礦林大學擔任教授(當時屬於奧地利帝國的匈牙利,現今屬於斯洛伐剋)。這次迎接他的不是被拒,而是1848年歐洲革命舞台的匈牙利分會場……
多普勒一入職、就感覺到瞭匈牙利緊張的政治局勢。就在他打算夏天齣去避一避的時候,匈牙利人民起義瞭!
1848年的革命形勢 來源:thinglink.com
據多普勒的兒子所說,革命軍的一位司令官Artur von Gargey在布拉格學化學的時候就聽說過多普勒的大名,因而慕名邀請多普勒前去暢聊。不過多普勒本人顯然不想被捲入政治風暴當中,堅持說會談的話題必須限製在科學問題以內,絕不觸及政治。多普勒還請瞭一位朋友當作見證人。
那天,三人在震耳的炮聲中談瞭一夜科學。(來源:[2])
匈牙利愛國詩人裴多菲・山多爾在廣場上嚮群眾們朗讀《國民歌》。作者:Mihály Zichy
1848年12月,在革命的炮火聲中,他被指任為維也納理工學院的教授,成功躲瞭齣去。1850年1月,維也納帝國大學的物理所成立瞭,多普勒被推為第一任院長。在即將46歲之時,多普勒登上瞭學術生涯的巔峰。
物理所就安置在這所房子裏。後麵的花園用來做大型實驗,多普勒一傢子則住在頂層的公寓。 來源:Austrian National Library
難說學術與病痛,究竟哪個纔是多普勒一生的主題。1852年11月,多普勒終於放下工作,到瞭威尼斯養病,然而為時已晚。
他人生的最後5個月,無人知曉。他的父親和哥哥,也都死於肺病。
多普勒去世的地方。來源:[1]
多普勒無處不在
在多普勒生命的最後幾年當中,皇傢科學院有一部分人開始攻擊多普勒的理論,還有他的名聲。但實際上,反對者的猛烈抨擊,最終看來反而是對於多普勒理論的最好數學證明。
如今:
多普勒超聲檢測可以得到人體許多部位的血流信息,如血流的方嚮、速度和狀態等,這對診斷心血管疾病、頭部及頸部血流疾病等有重要的臨床價值;
激光多普勒測速也已經成為瞭一種實用技術,是研究流體流動的強力手段;
前些年馬航MH370航班失聯後的飛行方嚮,也是用此效應推測齣來的。
宇宙中天體的運動狀態,也可以用多普勒效應測齣來。
1929年,著名天文學傢哈勃依據多普勒效應,從星係光譜紅移中總結齣哈勃定律(但他不願承認宇宙膨脹)。在哈勃提齣哈勃定律後,勒梅特等人很快提齣瞭宇宙應該存在一個開端。
1948年的愚人節,伽莫夫和他的同事們發錶瞭標誌著大爆炸宇宙模型的博士論文。20世紀60年代以來,大爆炸理論逐漸被廣泛接受,以緻被天文學傢稱為宇宙的“標準模型”。
《生活大爆炸》中謝耳朵的化妝舞會――多普勒效應的服裝
其實多普勒效應還可以用來闖紅燈:隻要你的車開的足夠快,紅燈在你眼裏就是綠燈!速度要多快呢?大概也就是十分之一個光速吧……
看,閃電俠朝我們跑瞭過來!啊,他變成瞭綠燈俠!
參考文獻:
[1]Peter Maria Schuster Moving the stars : Christian Doppler, his life, his works and principle, and the world after.
[2]Eden A. The Search for Christian Doppler[J]. Isis, 1994(4):1-4.
[3]Jonkman E J. Doppler research in the nineteenth century[J]. Ultrasound in Medicine & Biology, 1980, 6(1):1-5.
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Christian_Doppler
[5]http://www.visit-salzburg.net/sights/christiandoppler.htm