宇宙的尺度是靠紅移推算出來的，但很多人還不太明白紅移是如何測量出來的，關鍵的問題就是不知道光紅移前原始的波長怎麼測量出來的。

其實紅移是宇宙最常見的現象，如果沒有紅移，我們就沒有辦法算出宇宙的尺度。宇宙中目前有三種紅移，多普勒紅移，引力紅移，宇宙學紅移

現在我們說光就是電磁波，廣義上也可以說電磁波也是光，除了某些特定情況，一般情況下，電磁波和光不做區别，可以等效。光有波長和頻率兩個特征，波長和頻率成反比，波長在780nm到380nm的電磁波可以被人的肉眼看到，對應的顔色依次是紅 橙 黃 綠 青 藍 紫。

一束波長為400nm的紫光在宇宙中飛行，由于宇宙空間的膨脹會導緻波長增加，等傳到地球上，波長就可能變成750nm了，這時候原先的紫光就變成紅光了。宇宙中所有遠離地球的星系發出的光線抵達地球前都會因為空間膨脹或者引力等其他原因出現波長增加的現象。

波長增加在可見光端就是朝向紅光移動，所以這種現象也叫紅移。物理學家就可以通過紅移量算出，發出這條光線的星系和地球之間的距離。現在的問題是，你要通過紅移計算距離，就要知道這束光紅移前原始的波長，再結合抵達地球時的波長，可以算出波長差的比率，這個差值就是紅移量，通過紅移量和距離的關系式，然後就可以計算出距離了。

然後真實的情況是，我們沒有辦法直接測量到原始的波長，一束光中所有光子的波長抵達地球時都紅移了，誰知道原始波長是多少？直接測量不出原始波長，那就另辟蹊徑，比如利用吸收譜線。吸收譜線對絕大部分人來說是個全新的概念，也不要害怕聽不懂，我寫文案的時候把這個已經很通俗化了。以氫原子舉例，它的原子核外隻有一個電子。

電子在原子核外是可以分布在不同的能級軌道上的。電子的能量不同，所處的能級軌道就不同。電子從一個能級轉移到另一個能級軌道躍遷，過程并不像宏觀物質那樣 慢慢連續運動才逐步抵達到另一個能級上。

電子軌道切換是躍遷的，一步到位，中間沒有過渡。電子的每個軌道有不同的能量值，假設現在氫原子核外電子有三個能級，所以就有3個軌道，

軌道1的能級是-13.6ev，軌道2能級是-3.4ev，軌道3的能級是-1.51ev。軌道1和軌道2能量相差10.2ev的能量，軌道2和軌道3的能量相差1.89ev的能量。軌道1和軌道3的能量相差12.09ev的能量。當一個光子的能量隻有軌道是一二，二三，一三的能量差時才能被電子吸收。自己可以通過普朗克公式E=hc／λ算一下。能量為10.2ev的光的波長為121.7nm，能量為1.89ev的光的波長為656.7nm，能量為12.09ev的光的波長為102.7nm。

一束光線裡有無數個光子，這些光子攜帶的能量并不一樣，當一束光穿過氫原子時，隻有能量剛好是核外電子軌道能級差的光子才會被電子吸收。

這些特定能量的光子被電子吸收後，電子又會把這些光子以原來的能量值釋放出來，但是釋放出來的光子方向就和原來的方向不一樣了，所以這些光子就不屬于原來的光線了，如果換個角度觀測再次被釋放出來的這些光子，就會形成發射譜線。發射譜線以後有空再講。當這束光穿過氫原子後，抵達地球時，我們就會發現這束光裡面，波長為102.7nm，121.7nm，656.7nm的光消失了

因為這些消失波長的光被氫原子核外電子吸收後又釋放到其他方向上去了。我們按照這束光裡面光子波長的大小，将其做成光譜，就會發現光譜缺失了一部分光，所以就會出現好幾段黑格，這些黑格代表的就是核外電子軌道躍遷時吸收的光。這就是吸收譜線。

對于不同的原子，其核外電子能級軌道不同，所以當一束光穿過不同原子時，不同原子的核外電子軌道躍遷所需的能量不同，就會吸收不同能量的光子，光譜上留下的黑格分布就不同。

通過黑格的分布就可以斷定光線到底穿過了哪種原子。科學家就是通過這種方式才能分析出某一星球的組成成分。講這麼多，就是為了鋪墊如何通過吸收譜線判斷紅移量。太陽是宇宙中最常見的恒星，它的主要組成成分就是氫，太陽核心會發生核聚變，釋放大量的光子，這些光子從太陽核心出發，會穿過太陽内部大部分的原子，當太陽光再抵達地球時，就可以通過這些光子得出的光譜看到黑格的分布，

其中73%黑格的分布符合氫原子的吸收譜線，25%的黑格分布符合氦原子吸收譜線，剩下黑格分布符合氧，碳，氖，鐵等原子的吸收譜線。所以可以判定太陽内部的組成成分，其中73%是氫，25%是氦。假設我們現在接收到一個遙遠星系發出的光，分析其中一部分光的吸收譜線，發現黑格之間距離的分布和太陽不一緻，那麼就證明，發出這些光的天體的組成成分和太陽不一樣。那麼就無法判定紅移量。要知道，太陽這種主序星是宇宙中最常見的恒星，接收到遙遠星系的光線，必然有類似太陽這樣的恒星發出的光夾雜其中。仔細排查就會發現，星系發出的一部分光的吸收譜線内，黑格之間的距離分布和太陽一緻，但是這些黑格卻整體朝向紅光端移動。

所以就可以斷定，發出這些光的必然是遙遠星系裡和太陽組成成分相似的恒星。但是由于紅移效應，其吸收譜線的黑格會整體移動。所以就可以肯定，其吸收譜線中的黑格在紅移之前和太陽是一緻的。這些黑格相對于太陽的黑格，整體移動了多少，那麼就紅移了多少。通過矯正，把這些黑格整體移動到和太陽吸收譜線一樣的位置，那麼黑格此時所處的位置代表的波長就是紅移前原始的波長，設為λ｀。接收到的波長，設為λ。

紅移量z=λ－λ｀／λ｀。紅移量z是個标量，通過哈勃-勒梅特定律可知：紅移量和星系的距離的關系式是z=HD／c，c是光速，H是哈勃常數，D是星系和觀察者的距離。由于H／c是個固定的系數，所以星系和觀察者的距離與紅移量呈線性關系，距離越遠，紅移量越大。将紅移量代入到公式中，就可以算出星系和地球的距離。

z為正數時，代表接收到的波長大于原始波長，所以光在飛行過程中波長增加了，向紅光端移動，這就是紅移。z為負數時，代表接收到的波長小于原始波長，所以光在飛行過程中波長縮短了，向藍光端移動，這就是藍移。其實，我剛才用哈勃定律的紅移量推導星系距離是最簡單的方式，哈勃常數的具體數值還有争論，其中涉及暗物質和暗能量。這已經是現代物理學最前沿的部分了。原創不易，感謝點贊收藏！

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