Efect Doppler în lumină: Shift Roșu și Albastru

Undele de lumină dintr-o sursă în mișcare experimentează efectul Doppler pentru a rezulta fie o deplasare roșie, fie o schimbare albastră în frecvența luminii. Aceasta este într-un mod similar (deși nu este identic) cu alte tipuri de unde, cum ar fi undele sonore. Diferența majoră este că undele de lumină nu necesită un mediu pentru călătorie, deci aplicarea clasică a efectului Doppler nu se aplică tocmai acestei situații.

Luați în considerare două obiecte: sursa de lumină și „ascultătorul” (sau observatorul). Deoarece undele de lumină care călătoresc în spațiul gol nu au un mediu, analizăm efectul Doppler pentru lumină în ceea ce privește mișcarea sursei în raport cu ascultătorul.

Stabilim sistemul nostru de coordonate astfel încât direcția pozitivă să fie din partea ascultătorului către sursă. Deci, dacă sursa se îndepărtează de ascultător, viteza acestuia v este pozitiv, dar dacă se îndreaptă către ascultător, atunci v este negativ. Ascultătorul, în acest caz, este

Ascultătorul primește o frecvență f_L care ar fi diferită de frecvența transmisă de sursă f_S. Aceasta se calculează cu mecanica relativistă, aplicând contracția necesară a lungimii și obține relația:

f_L = sqrt [( c - v)/( c + v)] * f_S

O sursă de lumină în mișcare departe din partea ascultătorului (v este pozitiv) ar oferi un f_L aceasta este mai mică de f_S. În spectru luminos vizibil, acest lucru determină o deplasare spre capătul roșu al spectrului luminos, așa că se numește a tura roșie. Când sursa de lumină se mișcă spre Ascultătorul (v este negativ), atunci f_L este mai mare decât f_S. În spectrul luminii vizibile, acest lucru determină o schimbare către capătul de înaltă frecvență al spectrului luminos. Din anumite motive, violeta a primit capătul scurt al stickului și o astfel de schimbare a frecvenței este de fapt numită a Schimbare albastră. Evident, în zona spectrului electromagnetic în afara spectrului luminii vizibile, aceste schimbări s-ar putea să nu fie efectiv spre roșu și albastru. Dacă sunteți în infraroșu, de exemplu, vă schimbați ironic departe de la roșu când experimentați un „redshift”.

Poliția folosește această proprietate în casetele radar pe care le folosesc pentru a urmări viteza. Unde radio sunt transmise afară, se ciocnesc cu un vehicul și se dau înapoi. Viteza vehiculului (care acționează ca sursa undei reflectate) determină schimbarea frecvenței, care poate fi detectată cu ajutorul cutiei. (Aplicații similare pot fi utilizate pentru a măsura viteza vântului în atmosferă, care este "Radar Doppler"de care meteorologii sunt atât de iubitori.)

Această deplasare Doppler este utilizată și pentru urmărirea sateliților. Observând modul în care se schimbă frecvența, puteți determina viteza în raport cu locația dvs., ceea ce permite urmărirea la sol pentru a analiza mișcarea obiectelor în spațiu.

În astronomie, aceste schimburi se dovedesc utile. Când observați un sistem cu două stele, puteți spune care se deplasează spre dvs. și care se îndepărtează analizând modul în care se schimbă frecvențele.

Și mai semnificativ, dovezile din analiza luminii din galaxiile îndepărtate arată că lumina experimentează un redshift. Aceste galaxii se îndepărtează de Pământ. De fapt, rezultatele acestui fapt sunt cu mult peste simplul efect Doppler. Acesta este de fapt rezultat al timpului spațial ea însăși extinzându-se, așa cum a prevăzut relativitate generală. Extrapolările acestor dovezi, împreună cu alte descoperiri, susțin „Marea explozie„imagine a originii universului.