Efectul Doppler

Cu siguranță ați auzit sirena unei ambulanțe trecând prin apropiere. Dar ați observat că zgomotul făcut de sirenă este mai puternic atunci când ambulanța se apropie, urmând ca acesta să scadă în intensitate când ea se îndepărtează?

Acesta este efectul Doppler, descoperit de către matematicianul și fizicianul austriac Christian Doppler în 1842. Și cum explicăm acest fenomen?

Schimbarea în intensitatea zgomotului emis de sirenă este cauzată de o fluctuație a frecvenței undelor de sunet. Atunci când ambulanța se apropie, distanța dintre unde devine din ce în ce mai mică, ceea ce duce la o creștere a frecvenței (frecvența și lungimea de undă sunt mărimi invers proporționale i.e. c=νλ). În caz contrar, atunci când ambulanța se îndepărtează, distanța dintre undele de sunet se mărește, iar frecvența undelor sau zgomotul produs de sirenă scade în intensitate.

Efectul Doppler © NCSA

Măsurând schimbarea în frecvență, putem determina dacă respectiva ambulanță se apropie sau se îndepărtează. Mai mult, dacă putem afla rata de variație a frecvenței, vom ști viteza ambulanței.

Acest procedeu se aplică și în cazul radiației electromagnetice, emise de un obiect aflat în mișcare. Când obiectul se apropie de un observator, frecvența radiației sale crește sau „se deplasează spre albastru”. Când obiectul se îndepărtează de un observator, frecvența scade sau „se deplasează spre roșu”.

Effectul Doppler poate fi studiat pentru tot spectrul electromagnetic și redat în funcție de frecvența sau lungimea de undă a radiației.

În astronomie, această deplasare a liniilor spectrale este utilizată pentru determinarea cu precizie a vitezei cu care stelele și celelalte astre se mișcă între noi sau se îndepărtează de noi. De exemplu, în cele mai îndepărtate galaxii, liniile spectrale ale hidrogenului apar a se deplasa de roșu cu o viteză semnificativă.

Deplasarea Doppler este dată de formula (valabilă atunci cand z<<1 i.e. viteze non-relativistice):

unde λ este lungimea de undă observată, λ₀ este lungimea de undă emisă, c este viteza luminii în vid (299 792 458 m/s), iar v este viteza obiectului care emite radiația electromagnetică.

Timpul şi expansiunea Spaţiului

Lumina emisă de o galaxie îndepărtată a ajuns la Pământ după miliarde de ani. Astronomii văd galaxia aşa cum era miliarde de ani. Cu cât ei privesc mai departe în Spaţiu, cu atât se apropie de începuturile istoriei Universului.

În cele mai îndepărate regiuni se văd doar galaxii incomplet formate, aşa cum arătau după Big Bang. Cele mai palide şi mai îndepărtate galaxii se îndepărtează de Pământ cu viteze apropiate de viteza luminii (300 000 km/s). La distanţe şi mai mari, dincolo de Universul observabil, ar exista alte obiecte cosmice care s-au îndepărtat atât de repede, încât lumina emisă nu a ajuns niciodată la Pământ.

Efectele relativităţii speciale

Timpul şi Spaţiul nu sunt absolute, ci se întind şi se deformează în funcţie de punctul de vedere relativ. Prezenţa materiei produce gravitaţia, ce deformează atât Spaţiul, cât şi timpul.

Einstein a arătat că, pentru ca viteza luminii (c) să fie aceeaşi în toate cadrele de referinţă, măsurătorile timpului şi ale Spaţiului dintr-un cadru trebuie transformate în cele din alt cadru (ele variază între cadrele de referinţă în mişcare). Atunci când un obiect se mişcă cu viteză mare în raport cu un observator, observatorul îl vede mai scurt – efect numit contracţia lui Lorentz. Mai mult, pentru un astfel de obiect timpul pare să treacă mai încet – efect numit dilatarea timpului. La 90% din c, timpul trece de două ori mai încet. 

De asemenea, Einstein a arătat că un obiect câştigă masă când energia lui creşte şi pierde masă când energia lui scade. Această descoperire l-a condus la celebra ecuaţie E= m×c², unde E este energia şi m este masa obiectului.  Una din primele aplicaţii ale acestei ecuaţii a fost construirea bombelor atomice. În aceste bombe, pierderea unor cantităţi mici de masă în urma unor reacţii nucleare duce la degajarea unei cantităţi enorme de energie.

Relativitatea specială

În 1905, Albert Einstein respingea ideile conform cărora ar exista un cadru de referinţă absolut şi că timpul este absolut, ceea ce sugera că trece lafel pentru toţi.

În schimb, el a formulat teoria restrânsă a relativităţii, numită şi relativitatea specială, şi bazată pe două principii. Primul principiu al relativităţii afirmă că legile fizicii se aplică lafel în toate cadrele de referinţă care se mişcă constant. Al doilea principiu spune că viteza luminii este constantă şi independentă de mişcarea observatorului sau a sursei de lumină.

Radiaţia electromagnetică

Cum este produsă ?

O sarcină electrică în mişcare creează un câmp magnetic. Dacă mişcarea este constantă, câmpul magnetic produce un câmp electric. Interacţionând, cele două câmpuri se susţin reciproc şi se mişcă prin spaţiu, transferând energie. În desen, λ  înseamnă  lungimea de undă.

Pe lângă lumina vizibilă, radiaţia electromagnetică include undele radio, microundele, radiaţia infraroşie, radiaţia ultraviolet, rezele X şi razele gamma, călătorind prin spaţiu cu viteza luminii – 300 000 km/s sau 1 000 000 000 km/h.