Το φαινόμενο Doppler ισχύει και για τα ηχητικά κύματα καθώς και φως κύματα. Ας αναλύσουμε λοιπόν πρώτα ποιο είναι το φαινόμενο doppler του φωτός.
Το φαινόμενο Doppler του φωτός ορίζεται ως η αλλαγή στο συχνότητα του φωτός που βλέπει ο παρατηρητής ως αποτέλεσμα της σχετικής κίνησης του παρατηρητή και της πηγής φωτός. Ως αποτέλεσμα, μπορούμε να πούμε ότι το φαινόμενο doppler στο φως εμφανίζεται με τον ίδιο τρόπο όπως συμβαίνει στο φως ήχος.
Έτσι, τώρα που γνωρίζουμε για το φαινόμενο doppler στο φως, θα εξετάσουμε το σχετικιστικό φαινόμενο doppler, τον τύπο του, τα πραγματικά του παραδείγματα και πολλά άλλα σε αυτό το άρθρο.
Πώς λειτουργεί το φαινόμενο doppler με το φως;
Το φως ταξιδεύει πάντα με την ίδια ταχύτητα ανεξάρτητα από το πλαίσιο αναφοράς που χρησιμοποιείται. η μόνη αλλαγή είναι στην ενέργειά του. Ας δούμε λοιπόν πώς λειτουργεί το φαινόμενο Doppler με το φως.
Το μήκος κύματος του φωτός καθορίζει την ενέργεια του φωτός. Έτσι, ενώ η πηγή και ο παρατηρητής κινούνται μεταξύ τους, το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπει η πηγή αλλάζει όταν γίνεται αντιληπτό από τον παρατηρητή. Αυτό το φαινόμενο αναφέρεται ως φαινόμενο Doppler.
Εφέ Doppler για φωτεινά παραδείγματα:
Το φαινόμενο του φαινομένου Doppler στο φως εμφανίζεται στην πραγματική ζωή. Ας το δούμε μέσα από τα παραδείγματα που δίνονται παρακάτω:
- Λόγω της διαστολής του σύμπαντος, το φως που παίρνουμε από μακρινά αντικείμενα (όπως τα αστέρια) μετατοπίζεται στο κόκκινο.
- Η ταχύτητα του περαστικού αυτοκινήτου μετριέται από μια κάμερα ταχύτητας χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Doppler του φωτός.
Το σχετικιστικό φαινόμενο doppler για το φως:
Το φαινόμενο Doppler στο φως φαίνεται λόγω της σχετικιστικής κίνησης του παρατηρητή και της πηγής. Ας δούμε λοιπόν πιο προσεκτικά το σχετικιστικό φαινόμενο doppler στο φως.
Ο παρατηρητής παίρνει το κύμα με συχνότητα f ή μήκος κύματος 𝜆 όταν η πηγή και ο παρατηρητής είναι και οι δύο ακίνητοι. Ας υποθέσουμε ότι μια πηγή φωτός στο πλαίσιο εκπέμπει φως μήκους κύματος 𝜆s σε χρόνο τs και απομακρύνεται από το ακίνητο πλαίσιο με ταχύτητα v. (υποτιθέμενη σταθερή).
Σύμφωνα με ειδική θεωρία της σχετικότητας θεωρία, οι αλλαγές στα διαστήματα χρόνου και μήκους βασίζονται στη σχετική κίνηση του παρατηρητή. Έτσι, εφαρμόζοντας την εξίσωση Μετασχηματισμού Lorentz σε ένα σχετικά κινούμενο πλαίσιο αναφοράς, λαμβάνουμε την ακόλουθη εξίσωση για το μήκος κύματος όπως μετράται από τον παρατηρητή:
(Όταν 𝑣 = ᥆, τότε 𝜆o = 𝜆s)
Αλλά, 𝜆 / t = c (Όπου, c είναι η ταχύτητα του φωτός)
Έτσι, η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφτεί ως:
Απλοποιώντας την παραπάνω εξίσωση παίρνουμε το μήκος κύματος που παρατηρείται από τον παρατηρητή:
Αυτή η εξίσωση υποθέτει ότι η πηγή απομακρύνεται από τον παρατηρητή. Επομένως, η ταχύτητα v είναι θετική όταν η πηγή απομακρύνεται από τον παρατηρητή και αρνητική όταν η πηγή κινείται προς τον παρατηρητή.
Αυτή η εξίσωση μπορεί να εκφραστεί ως εξής ως προς τη συχνότητα πηγής και την παρατηρούμενη συχνότητα:
fo = γ / 𝜆o
Έτσι,
Οι εξισώσεις (1) και (2) είναι οι απαιτούμενες εξισώσεις για το φαινόμενο Doppler.
Redshift & Blueshift:
Η συχνότητα του φωτός καθορίζει το χρώμα του. Μια αλλαγή στη συχνότητα της πηγής και του παρατηρητή που προκαλείται από τη σχετική κίνησή τους είναι α μετατόπιση προς το ερυθρό και blueshift. Ας δούμε τι σημαίνει.
- Καθώς η πηγή φωτός απομακρύνεται από τον παρατηρητή, ο παρατηρητής λαμβάνει ένα κύμα χαμηλότερης συχνότητας από την πηγή. Το γεγονός ότι το κόκκινο χρώμα έχει τη χαμηλότερη συχνότητα στο ορατό φάσμα προκαλεί μια μετατόπιση προς το κόκκινο άκρο του φάσματος. Είναι γνωστό ως η μετατόπιση στο κόκκινο στην αστρονομία.
- Καθώς η πηγή φωτός πλησιάζει τον παρατηρητή, ο παρατηρητής λαμβάνει ένα κύμα υψηλότερης συχνότητας από την πηγή. Το γεγονός ότι το μπλε χρώμα έχει την υψηλότερη συχνότητα στο ορατό φάσμα προκαλεί μια μετατόπιση προς το μπλε άκρο του φάσματος. Είναι γνωστό ως η μπλε μετατόπιση στην αστρονομία.
Συμπέρασμα:
Αυτό το άρθρο μάς δείχνει ότι το να είσαι κυματοφώς βιώνει επίσης το φαινόμενο Doppler, όπως ακριβώς συμβαίνει και με τον ήχο. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω της σχετικής ταχύτητας του πομπού φωτός και του παρατηρητή. Φτάνουμε στην ιδέα ότι το σύμπαν διαστέλλεται χάρη στο φαινόμενο Doppler του φωτός.
