Elektromanyetik dalgalar için Doppler etkisi. Temel Araştırma

Doppler etkisi aşağıdaki formülle tanımlanır:

alıcı tarafından kaydedilen dalganın frekansı nerede; - kaynak tarafından yayılan dalganın frekansı; - çevrede; ve sırasıyla alıcının ve kaynağın elastik ortama göre hızlarıdır.

Ses kaynağı alıcıya yaklaşıyorsa hızının artı işareti vardır. Kaynak alıcıdan uzaklaşıyorsa hızı eksi işaretiyle gösterilir.

Kaynak ve alıcı aralarındaki mesafe azalacak şekilde hareket ettiğinde, alıcının algıladığı frekansın kaynak frekansından daha büyük olduğu formülden açıkça görülmektedir. Kaynak ile alıcı arasındaki mesafe artarsa ​​bu değerden az olacaktır.

Doppler etkisi, trafik polislerinin bir arabanın hızını belirlemesini sağlayan radarların temelidir. Tıpta Doppler etkisi kullanılır. ultrasonik cihaz Enjeksiyon yaparken damarları arterlerden ayırın. Doppler etkisi sayesinde gökbilimciler Evrenin genişlediğini, galaksilerin birbirlerinden uzaklaştığını buldular. Doppler etkisi kullanılarak gezegenlerin ve uzay araçlarının hareket parametreleri belirlenir.

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

Egzersiz yapmak	İki araba bir otoyolda m/s ve m/s hızlarıyla birbirine yaklaşıyor. Bunlardan ilki 600 Hz frekansında bir ses sinyali üretiyor. İkinci arabanın sürücüsünün duyacağı sinyalin frekansını belirleyin: a) toplantıdan önce; b) toplantıdan sonra. Ses hızı 348 m/s olarak alınmıştır.
Çözüm	Buluşmadan önce arabalar birbirine yaklaşır, yani. aralarındaki mesafe azalır ve ses kaynağı (birinci araba) ses alıcısına (ikinci araba) yaklaşır, böylece birinci arabanın hızı formüle artı işaretiyle girecektir. Hesaplayalım: Hz. Toplantıdan sonra arabalar birbirinden uzaklaşacak, yani. ses sinyalinin kaynağı alıcıdan uzaklaşacak, böylece kaynağın hızı formüle eksi işaretiyle girecektir: Hz.
Cevap	İkinci arabanın sürücüsünün birinciyle karşılaşmadan önce duyacağı sinyalin frekansı 732 Hz, toplantı sonrasında ise 616 Hz olacak.

ÖRNEK 2

Egzersiz yapmak	Hızlı bir tren, rayların üzerinde duran elektrikli trene 72 km/saat hızla yaklaşıyor. Elektrikli tren 0,6 kHz frekansında bir ses sinyali yayar. Hızlı tren sürücüsünün duyacağı ses sinyalinin görünür frekansını belirleyiniz. Ses hızı 340 m/s olarak alınmıştır.
Çözüm	Doppler etkisinin formülünü yazalım: Hızlı trenle ilişkili referans çerçevesinde, hızlı trenin sürücüsü (sinyal alıcısı) sabit olduğundan elektrikli tren (sinyal kaynağı) hızlı trene doğru artı işaretli bir hızla hareket eder, çünkü Ses sinyalinin kaynağı ile alıcısı arasındaki mesafe azalır. Birimleri SI sistemine dönüştürelim: elektrikli trenin hızlı trene göre hareket hızı km/saat m/s; elektrikli tren ses sinyalinin frekansı kHz Hz. Hesaplayalım: Hz.
Cevap	Bir hızlı tren sürücüsünün duyacağı görünür frekans 638 Hz'dir.

ÖRNEK 3

Egzersiz yapmak	Demiryolu platformunun yanından elektrikli bir tren geçiyor. Platformda duran bir gözlemci tren sireninin sesini duyuyor. Tren ne zaman gelecek? Bir gözlemci tren uzaklaşırken 1100 Hz'lik bir ses duymaktadır; sesin görünür frekansı 900 Hz'dir. Elektrikli lokomotifin hızını ve sirenin çıkardığı sesin frekansını bulun. Sesin havadaki hızı 340 m/s olarak alınmıştır.
Çözüm	Platform üzerinde duran gözlemci hareketsiz olduğundan alıcının hızı . Her iki durum için de Doppler etkisinin formülünü yazalım. a) Tren yaklaşırken: b) tren hareket ettiğinde: Siren sesi sinyalinin frekanslarını ifade edelim ve elde edilen eşitliklerin sağ taraflarını eşitleyelim:

Altında Doppler etkisi Kaynağın ve alıcının hareketiyle ilişkili olarak dalga alıcısı tarafından kaydedilen frekanstaki değişimi anlayın. Bu etki akustik ve optik alanında ilk kez 1842 yılında Avusturyalı fizikçi K. Doppler tarafından teorik olarak kanıtlanmıştır.

İki özel durum örneğini kullanarak, alıcı tarafından algılanan elastik dalganın frekansını belirleyen formülün türetilmesini ele alalım. 1. Ortam, ses dalgalarının sabit bir kaynağı ve alıcısını içerir. Kaynak tarafından yayılan frekanslar ve dalga boyları
, hızla hareket ediyor alıcıya ulaşın ve içinde aynı frekansta salınımlar yaratın
(Şekil 6.11, a). 2. Kaynak ve onun yaydığı dalga Ox ekseni boyunca hareket eder. Alıcı onlara doğru hareket eder. Dalga hızına dikkat edin yalnızca ortamın özelliklerine bağlıdır ve alıcının ve kaynağın hareketine bağlı değildir. Bu nedenle kaynağın sabit bir frekansta hareketi onun yaydığı titreşimler yalnızca dalga boyunu değiştirecektir. Aslında salınım periyodunun kaynağı mesafeye gidecek
ve hızların toplamı kanununa göre dalga uzaklaşacaktır kaynaktan bir mesafeye
ve dolayısıyla dalga boyu
daha az olacak (Şekil 6.11, b).

Dalga, alıcıya göre hızların toplamı kanununa göre belirli bir hızla hareket edecektir.
ve sabit bir dalga boyu için sıklık kaynağın algıladığı titreşimler değişecek ve eşit olacaktır

.

Kaynak ve alıcı birbirinden uzaklaşıyorsa frekans formülünde tabelaların değişmesi gerekiyor. Sonuç olarak, kaynak ve alıcı tek bir düz çizgide hareket ettiğinde alıcı tarafından algılanan salınım frekansı için tek bir formül şöyle görünecektir:

. (6.36)

Bu formülden, örneğin bir istasyonda bulunan bir gözlemci için yaklaşan bir trenin ses sinyalinin frekansı ( υ halkla ilişkiler =0, υ IST >0)

istasyondan uzaklaştıkça daha çok ve daha az olacaktır. Örneğin ses hızını υ = 340 m/s, trenin hızını υ = 72 km/saat ve ses sinyalinin frekansını ν 0 = 1000 Hz alırsak (bu frekans insan tarafından iyi algılanır) ve kulak, frekans farkı 10 Hz'den büyük olan ses dalgalarını ayırt ederse, kulak tarafından algılanan sinyalin frekansı,

=

Kaynak ve alıcı onları birbirine bağlayan düz çizgiye belli bir açıyla yönlendirilmiş hızlarla hareket ediyorsa frekansı hesaplamak için alıcı tarafından algılandığında, hızlarının projeksiyonlarını bu düz çizgiye almanız gerekir (Şekil 6.11, c):

. (6.37)

Doppler etkisi elektromanyetik dalgalar için de gözlenir. Ama farklı olarak

elastik dalgalar, elektromanyetik dalgalar bir ortamın yokluğunda, boşlukta yayılabilir. Sonuç olarak, elektromanyetik dalgalar için kaynağın ve alıcının ortama göre hareket hızı önemli değildir. Elektromanyetik dalgalar için, Lorentz dönüşümlerini ve hareketli bir referans çerçevesindeki zaman genişlemesini hesaba katarak kaynağın ve alıcının göreceli hareket hızını dikkate almak gerekir.

düşünelim uzunlamasına Doppler etkisi. Alıcı tarafından kaydedilen elektromanyetik dalgaların frekansı için bir formül türetelim; belirli bir durumda kaynak ve alıcı, onları birleştiren düz çizgi yönünde birbirlerine doğru hareket ederler. İki adet ISO olsun. – hareketsiz I.S.O. İLE(içinde sabit bir EMW alıcısı var) ve çakışan koordinat eksenleri boyunca ona göre hareket ediyor Ah Ve Ah' ISO İLE′ (sabit bir elektromanyetik dalga kaynağı içerir) (Şekil 6.12,a).

I.S.O.'da nelerin gözlemlendiğini ele alalım. İLE Ve İLE".

1. ISOİLE ′ . Elektromanyetik dalga kaynağı sabittir ve koordinat ekseninin başlangıç ​​noktasında yer alır. Ah' (Şekil 6.12,a). I.S.O. formatında yayın yapar. İLE′ noktalı EMW
, frekanslar
ve dalga boyu
.

Alıcı hareket eder ancak hareketi, alınan sinyalin frekansındaki değişimi etkilemez. Bunun nedeni, S.T.O.'nun ikinci varsayımına göre, elektromanyetik dalganın alıcıya göre hızının her zaman şuna eşit olacağıdır: İle, ve dolayısıyla alıcının I.S.O.'da aldığı dalganın frekansı. İLE" aynı zamanda eşit olacak ,

2. ISOİLE . Ah EMW alıcısı sabittir ve EMW kaynağı eksen yönünde hareket eder hızla
().

. Bu nedenle kaynak için zaman genişlemesinin göreceli etkisini hesaba katmak gerekir. Bu, kaynak tarafından bu eylemsiz çerçevede yayılan dalganın periyodunun, I.S.O.'daki dalganın periyodundan daha büyük olacağı anlamına gelir. Dalga boyu için

Kaynaktan alıcıya doğru yayılan , yazılabilir Bu ifade döneme izin verir T ve frekanslar EMW alıcısı tarafından I.S.O.'da algılanır.İLE,

, (6.38)

aşağıdaki formülleri yazın: İLE burada elektromanyetik dalganın I.S.O.'daki alıcıya göre hızının dikkate alındığı yer. eşit.

İle

Kaynak ve alıcının kaldırılması durumunda formül (6.38)'deki işaretlerin değiştirilmesi gerekir. Bu durumda alıcı tarafından kaydedilen radyasyon frekansı, kaynağın yaydığı dalga frekansına göre azalacaktır; görünür ışık spektrumunda kırmızıya bir kayma gözlenir.

Görüldüğü gibi (6.38) ifadesi kaynağın ve alıcının ayrı ayrı hızlarını içermemektedir, sadece bunların göreceli hareket hızlarını içermektedir. Elektromanyetik dalgalar için de gözlemlenir enine Doppler etkisi
hareketli bir eylemsiz referans çerçevesinde zaman genişlemesinin etkisi ile ilişkilidir. Elektromanyetik dalga kaynağının hızının gözlem çizgisine dik olduğu bir anı ele alalım (Şekil 6.12,b), bu durumda kaynak alıcıya doğru hareket etmez ve dolayısıyla yaydığı dalganın uzunluğu değişmez. (

,
. (6.39)

). Geriye kalan tek şey zaman genişlemesinin göreceli etkisidir
.

Enine Doppler etkisi için frekans değişimi, uzunlamasına Doppler etkisinden önemli ölçüde daha az olacaktır. Gerçekten de, boyuna ve enine etkiler için (6.38) ve (6.39) formülleri kullanılarak bulunan frekansların oranı, birlikten önemli ölçüde daha az olacaktır:

Enine Doppler etkisi deneysel olarak doğrulandı ve bu, özel görelilik teorisinin geçerliliğini bir kez daha kanıtladı. Burada formül (6.39) lehine sunulan argümanlar kesin olma iddiasında değildir ancak doğru sonucu verirler. Genel olarak, keyfi bir açı için Gözlem hattı ile kaynağın hızı arasında , yazabiliriz

aşağıdaki formül , (6.40) burada açı

Bir ortamdaki elastik dalgalar için enine Doppler etkisi yoktur. Bunun nedeni, alıcı tarafından algılanan dalganın frekansını belirlemek için, hız projeksiyonlarının kaynak ile alıcıyı birleştiren düz çizgi üzerine alınmasıdır (bkz. Şekil 6.11c) ve elastiklik için zaman genişlemesi yoktur. dalgalar.

Doppler etkisinin geniş pratik uygulamaları vardır; örneğin yıldızların ve galaksilerin hızlarını, emisyon spektrumlarındaki çizgilerin Doppler (kırmızı) kaymasıyla ölçmek; radar ve sonardaki hareketli hedeflerin hızlarını belirlemek için; Atomların ve moleküllerin vb. emisyon çizgilerini Doppler genişleterek cisimlerin sıcaklığını ölçmek için.

Elastik dalgalar için Doppler etkisi, belirli bir seçilmiş referans çerçevesi görevi gören bir ortamda elastik bir dalganın yayılma hızının sabit olmasından kaynaklanmaktadır. İçin elektromanyetik dalgalar böyle bir referans çerçevesi (ortam) mevcut değildir ve elektromanyetik dalgalar için Doppler etkisinin açıklaması ancak özel görelilik teorisi çerçevesinde verilebilir.

Kaynak olsun S sabit bir alıcıya hızla yaklaşıyor R. Bu durumda kaynak, alıcı yönünde frekansta (doğal frekans) elektromanyetik darbeler yayar. Kaynakla ilişkili referans çerçevesindeki ardışık iki darbe arasındaki zaman aralığı eşittir. Kaynak hareket ettiğinden, hareketli saatin yavaşlama etkisinden dolayı alıcıyla ilişkili sabit referans çerçevesindeki karşılık gelen zaman periyodu daha büyük olacaktır, yani

, (40.1)

Alıcıyla ilişkili referans çerçevesindeki bitişik darbeler arasındaki mesafe şuna eşit olacaktır:

. (40.2)

Daha sonra alıcı tarafından algılanan darbe tekrarlama oranı şuna eşit olacaktır: veya

. (40.3)

Ortaya çıkan formül (40.3) şuna karşılık gelir: uzunlamasına Doppler etkisi Bu, iki olgunun sonucudur: Hareket eden saatin yavaşlaması ve kaynak ile alıcı arasındaki mesafedeki değişiklikle ilişkili darbelerin "sıkıştırılması" (veya boşaltılması). Kaynak yaklaşırsa (dikkate alınan durumda olduğu gibi), alınan elektromanyetik dalganın frekansı artar (), ancak uzaklaşırsa (bu durumda hızın işareti ters yönde değişir).

Hız, ışık hızından çok daha düşükse, o zaman (40.3), terimlere kadar yaklaşık bir formülle (göreceli olmayan yaklaşım) değiştirilebilir:

. (40.4)

Genel durumda, kaynak hız vektörü alıcının yönü ile bir açı oluşturduğunda (görüş hattı), formül (40.3)'teki hızın onun izdüşümü ile değiştirilmesi gerekir. görüş hattına ve ardından alınan elektromanyetik dalgaların frekansı şu ifadeyle belirlenir:

. (40.5)

Son ifadeden, eğer kaynak alıcıya () doğru dik yönde hareket ederse, enine Doppler etkisinin gözlemlendiği anlaşılmaktadır:

, (40.6)

alıcı tarafından algılanan frekansın her zaman kaynağın doğal frekansından () daha az olduğu. Enine etki, hareketli saatin yavaşlamasının doğrudan bir sonucudur ve boylamasına etkiden çok daha zayıftır.

Boyuna Doppler etkisi, bir nesnenin hızını belirlemek için konumda kullanılır. Muhasebe Doppler kayması Hareketli nesnelerle iletişim organize edilirken frekanslara ihtiyaç duyulabilir. Doppler etkisi kullanılarak çift yıldız keşfedildi. 1929'da Amerikalı gökbilimci E. Hubble, uzak galaksilerin emisyon spektrumundaki çizgilerin daha uzun dalga boylarına doğru kaydığını (kozmolojik kırmızıya kayma) keşfetti. Kırmızıya kayma, Doppler etkisinin bir sonucu olarak meydana gelir ve uzak galaksilerin bizden uzaklaştığını, galaksilerin uzaklaşma hızının ise mesafeleriyle orantılı olduğunu gösterir:

Hubble sabiti nerede?

Bir araba sireninin size yaklaşırken veya uzaklaşırken çıkardığı sesin farklı bir perdeye sahip olduğunu hiç fark ettiniz mi?

Uzaklaşan ve yaklaşan bir tren veya arabanın düdüğünün veya sireninin frekansındaki farklılık belki de Doppler etkisinin en açık ve yaygın örneğidir. Teorik olarak Avusturyalı fizikçi Christian Doppler tarafından keşfedilen bu etki, daha sonra bilim ve teknolojide önemli bir rol oynayacaktır.

Bir gözlemci için radyasyonun dalga boyu farklı anlam kaynağın gözlemciye göre farklı hızlarında. Kaynağa yaklaştıkça dalga boyu azalacak, uzaklaştıkça ise artacaktır. Sonuç olarak frekans da dalga boyuna göre değişir. Bu nedenle yaklaşan bir trenin düdüğünün frekansı, uzaklaşırkenki düdüğün frekansından belirgin şekilde daha yüksektir. Aslında Doppler etkisinin özü de budur.

Doppler etkisi birçok ölçüm ve araştırma cihazının işleyişinin temelini oluşturur. Günümüzde tıpta, havacılıkta, uzay bilimlerinde ve hatta günlük yaşamda yaygın olarak kullanılmaktadır. Doppler etkisini, uydu navigasyonunu ve yol radarlarını, ultrason makinelerini ve güvenlik alarmı. Doppler etkisi yaygın olarak uygulanabilir hale geldi bilimsel araştırma. Belki de en çok astronomide tanınır.

Etkinin açıklaması

Doppler etkisinin doğasını anlamak için suyun yüzeyine bakmanız yeterlidir. Su üzerindeki daireler, herhangi bir dalganın üç bileşenini de mükemmel bir şekilde gösterir. Durağan bir şamandıranın daireler oluşturduğunu hayal edelim. Bu durumda süre, bir dairenin emisyonu ile bir sonraki daire arasında geçen süreye karşılık gelecektir. Frekans, şamandıranın belirli bir süre içinde yaydığı daire sayısına eşittir. Dalga boyu, art arda yayılan iki dairenin yarıçaplarındaki farka (iki bitişik tepe arasındaki mesafe) eşit olacaktır.

Bu sabit şamandıraya bir teknenin yaklaştığını hayal edelim. Sırtlara doğru ilerlediği için teknenin hızı dairelerin yayılma hızına eklenecektir. Bu nedenle tekneye göre yaklaşmakta olan sırtların hızı artacaktır. Aynı zamanda dalga boyu da azalacaktır. Dolayısıyla teknenin yan tarafındaki iki bitişik dairenin çarpışmaları arasında geçecek süre azalacaktır. Yani süre azalacak ve buna bağlı olarak sıklık da artacak. Aynı şekilde uzaklaşan bir tekne için artık ona yetişecek tepelerin hızı azalacak, dalga boyu artacaktır. Bu, periyodu artırmak ve sıklığı azaltmak anlamına gelir.

Şimdi şamandıranın iki sabit tekne arasında bulunduğunu hayal edin. Üstelik bunlardan birindeki balıkçı şamandırayı kendine doğru çekiyor. Yüzeye göre hız kazanan şamandıra, tamamen aynı daireleri yaymaya devam ediyor. Bununla birlikte, sonraki her dairenin merkezi, bir öncekinin merkezine göre, şamandıranın yaklaştığı tekneye doğru kaydırılacaktır. Dolayısıyla bu teknenin yan tarafında sırtlar arasındaki mesafe azalacaktır. Balıkçının şamandırayı çekmesiyle birlikte dalga boyu azaltılmış ve dolayısıyla periyodu azaltılmış ve frekansı artırılmış dairelerin tekneye geleceği ortaya çıktı. Benzer şekilde uzunluğu, periyodu artan ve frekansı azalan dalgalar başka bir balıkçıya ulaşacaktır.

Çok renkli yıldızlar

Su yüzeyindeki dalgaların özelliklerindeki bu tür değişiklikler bir zamanlar Christian Doppler tarafından fark edilmişti. Bu tür durumların her birini matematiksel olarak tanımladı ve elde ettiği verileri yine dalga doğasına sahip olan ses ve ışığa uyguladı. Doppler, yıldızların renginin doğrudan onların bize yaklaşma veya bizden uzaklaşma hızlarına bağlı olduğunu öne sürdü. Bu hipotezi 1842'de sunduğu bir makalede özetledi.

Doppler'in yıldızların rengi konusunda yanıldığını unutmayın. Tüm yıldızların yayıldığına inanıyordu beyaz, daha sonra gözlemciye göre hızları nedeniyle bozulur. Aslında Doppler etkisi yıldızların rengini değil, spektrumlarının desenini etkiler. Bizden uzaklaşan yıldızlar için, spektrumun tüm karanlık çizgileri dalga boyunu artıracak ve kırmızıya doğru kayacaktır. Bu etki bilimde “kırmızıya kayma” adı altında yerleşmiştir. Yaklaşan yıldızlarda ise tam tersine, çizgiler spektrumun daha yüksek frekanslı kısmına, yani menekşe rengine doğru yönelir.

Doppler formüllerine dayanan spektral çizgilerin bu özelliği, 1848'de Fransız fizikçi Armand Fizeau tarafından teorik olarak tahmin edildi. Bu, 1868'de uzayın spektral çalışmasına büyük katkı sağlayan William Huggins tarafından deneysel olarak doğrulandı. Zaten 20. yüzyılda, spektrumdaki çizgiler için Doppler etkisine "kırmızıya kayma" adı veriliyordu; buna daha sonra döneceğiz.

Raylarda konser

1845 yılında Hollandalı meteorolog Beuys-Ballot ve daha sonra Doppler'in kendisi, Doppler "ses" etkisini test etmek için bir dizi deney gerçekleştirdi. Her iki durumda da, daha önce bahsedilen yaklaşan ve kalkan trenin kornası efektini kullandılar. Düdüğün rolü, hareket eden bir trenin üstü açık vagonunda belirli bir nota çalan trompetçi grupları tarafından oynanıyordu.

Beuys-Ballot, notadaki değişikliği bestenin farklı hızlarında kaydeden iyi işiten kişilerin yanından trompetçiler gönderdi. Daha sonra trompetçileri bir platforma ve dinleyicileri de bir arabaya yerleştirerek bu deneyi tekrarladı. Doppler, aynı anda kendisine yaklaşan ve ondan uzaklaşan iki trompetçi grubunun tek nota çalarak notalarındaki uyumsuzluğu kaydetti.

Her iki durumda da ses dalgalarının Doppler etkisi başarıyla doğrulandı. Üstelik her birimiz bu deneyi günlük yaşam ve bunu kendiniz onaylayın. Bu nedenle Doppler etkisi çağdaşları tarafından eleştirilse de, daha sonraki araştırmalar onu inkar edilemez hale getirdi.

Daha önce belirtildiği gibi Doppler etkisi, uzay nesnelerinin gözlemciye göre hızını belirlemek için kullanılır.

Kozmik nesnelerin spektrumundaki koyu çizgiler başlangıçta her zaman kesin olarak sabit bir konumda bulunur. Bu konum, belirli bir elementin soğurma dalga boyuna karşılık gelir. Yaklaşan veya uzaklaşan bir nesne için tüm bantlar konumlarını sırasıyla spektrumun mor veya kırmızı bölgesine değiştirir. Karasal spektral çizgilerin karşılaştırılması kimyasal elementler Yıldızların spektrumlarındaki benzer çizgiler sayesinde bir nesnenin bize ne kadar hızlı yaklaştığını veya bizden ne kadar hızlı uzaklaştığını tahmin edebiliriz.

Galaksilerin spektrumlarındaki kırmızıya kayma, 1914 yılında Amerikalı gökbilimci Vesto Slifer tarafından keşfedildi. Vatandaşı Edwin Hubble, keşfettiği galaksilere olan mesafeleri kırmızıya kaymanın büyüklüğüyle karşılaştırdı. Böylece 1929'da galaksinin ne kadar uzaktaysa bizden o kadar hızlı uzaklaştığı sonucuna vardı. Daha sonra ortaya çıktığı gibi, keşfettiği yasa oldukça hatalıydı ve gerçek tabloyu tam olarak doğru şekilde tanımlamıyordu. Ancak Hubble, daha sonra kozmolojik kırmızıya kayma kavramını ortaya koyacak olan diğer bilim adamlarının daha ileri araştırmaları için doğru eğilimi belirledi.

Galaksilerin bize göre doğru hareketlerinden kaynaklanan Doppler kırmızıya kaymanın aksine, kozmolojik kırmızıya kayma uzayın genişlemesinden kaynaklanmaktadır. Bildiğiniz gibi Evren tüm hacmi boyunca eşit şekilde genişliyor. Bu nedenle iki galaksi birbirinden ne kadar uzaksa birbirlerinden o kadar hızlı uzaklaşırlar. Yani galaksiler arasındaki her megaparsek, onları birbirlerinden saniyede yaklaşık 70 kilometre uzaklaştıracaktır. Bu miktara Hubble sabiti denir. İlginçtir ki, Hubble başlangıçta bu sabitin megaparsek başına 500 km/s kadar olduğunu tahmin etmişti.

Bu, herhangi bir galaksinin kırmızıya kaymasının iki farklı kırmızıya kaymanın toplamı olduğu gerçeğini hesaba katmamasıyla açıklanmaktadır. Galaksiler Evrenin genişlemesiyle hareket etmelerinin yanı sıra kendi hareketlerini de yaparlar. Göreli kırmızıya kayma tüm mesafeler için aynı dağılıma sahipse, Doppler kırmızıya kayma en öngörülemeyen farklılıkları kabul eder. Sonuçta galaksilerin kümeleri içindeki düzgün hareketi yalnızca karşılıklı çekim etkilerine bağlıdır.

Yakın ve uzak galaksiler

Yakın galaksiler arasında Hubble sabiti, aralarındaki mesafeleri tahmin etmek için pratik olarak uygulanamaz. Örneğin Andromeda galaksisi, Samanyolu'na yaklaşık 150 km/s hızla yaklaştığından bize göre toplam mor kayması vardır. Hubble yasasını buna uygularsak galaksimizden 50 km/s hızla uzaklaşması gerekir ki bu da gerçekle hiç örtüşmüyor.

Uzak galaksiler için Doppler kırmızıya kayması neredeyse farkedilemez. Bizden uzaklaşma hızları doğrudan mesafeye bağlıdır ve küçük bir hatayla Hubble sabitine karşılık gelir. Yani en uzaktaki kuasarlar ışık hızından daha büyük bir hızla bizden uzaklaşıyor. İşin garibi, bu, görelilik teorisiyle çelişmiyor, çünkü bu, nesnelerin kendisinin değil, uzayın genişleme hızıdır. Bu nedenle Doppler kırmızıya kaymayı kozmolojik olandan ayırt edebilmek önemlidir.

Elektromanyetik dalgalar söz konusu olduğunda göreceli etkilerin de ortaya çıktığını belirtmekte fayda var. Cismin gözlemciye göre hareket etmesiyle birlikte ortaya çıkan zamanın bozulması ve doğrusal boyutlardaki değişiklikler de dalganın karakterini etkiler. Her durumda göreceli etkilerde olduğu gibi

Elbette kırmızıya kaymanın keşfedilmesini sağlayan Doppler etkisi olmasaydı, Evrenin büyük ölçekli yapısından haberimiz olmayacaktı. Ancak gökbilimciler bundan fazlasını dalgaların bu özelliğine borçludurlar.

Doppler etkisi, yıldızların konumlarındaki, etraflarında dönen gezegenlerin yaratabileceği hafif sapmaları tespit edebilir. Bu sayede yüzlerce dış gezegen keşfedildi. Ayrıca daha önce başka yöntemler kullanılarak keşfedilen ötegezegenlerin varlığını doğrulamak için de kullanılıyor.

Doppler etkisi yakın yıldız sistemlerinin incelenmesinde belirleyici bir rol oynadı. İki yıldız ayrı ayrı görülemeyecek kadar yakın olduğunda Doppler etkisi gökbilimcilerin yardımına koşuyor. Yıldızların spektrumları boyunca görünmez karşılıklı hareketlerini izlemenizi sağlar. Bu tür yıldız sistemlerine "optik ikili dosyalar" bile deniyor.

Doppler efektini kullanarak, yalnızca bir uzay nesnesinin hızını değil, aynı zamanda dönme hızını, genişlemesini, atmosferik akışlarının hızını ve çok daha fazlasını da tahmin edebilirsiniz. Satürn'ün halkalarının hızı, nebulaların genişlemesi, yıldızların nabzı bu etki sayesinde ölçülür. Hatta yıldızların sıcaklığını belirlemek için bile kullanılıyor çünkü sıcaklık aynı zamanda hareketin de bir göstergesi. Modern gökbilimcilerin uzay nesnelerinin hızlarıyla ilgili hemen her şeyi Doppler etkisini kullanarak ölçtüklerini söyleyebiliriz.

Doppler etkisi, bir alıcı tarafından kaydedilen dalgaların uzunluğunda ve frekansında meydana gelen ve kaynağın veya alıcının kendisinin hareket etmesine neden olan bir değişikliktir. Etki, onu keşfeden Christian Doppler'in onuruna bu adı almıştır. Bu hipotez daha sonra Hollandalı bilim adamı Christian Ballot tarafından deneysel bir yöntemle kanıtlandı; bu kişi, açık bir demiryolu vagonuna bir bando yerleştirdi ve en yetenekli müzisyenlerden oluşan bir grubu platformda bir araya getirdi. Platformun yanından orkestralı bir araba geçtiğinde müzisyenler bir nota çaldı ve dinleyiciler duyduklarını kağıda yazdı. Beklendiği gibi, Doppler yasasının belirttiği gibi ses perdesinin algılanması doğrudan bağımlıydı.

Doppler etkisinin eylemi

Bu fenomen oldukça basit bir şekilde açıklanmaktadır. Bir sesin işitilebilir tonu, kulağa ulaşan ses dalgasının frekansından etkilenir. Bir ses kaynağı bir kişiye doğru hareket ettiğinde, sonraki her dalga giderek daha hızlı gelir. Kulak, dalgaları daha sık algılayarak sesin daha tiz görünmesini sağlar. Ancak ses kaynağı uzaklaştıkça sonraki dalgalar biraz daha uzağa yayılır ve kulağa öncekilerden daha geç ulaşır, bu nedenle ses daha düşük hissedilir.

Bu olay sadece ses kaynağının hareketi sırasında değil aynı zamanda kişinin hareketi sırasında da meydana gelir. Bir dalgaya "koşan" kişi, dalganın tepelerini daha sık geçer, sesi daha yüksek algılar ve dalgadan uzaklaşır - bunun tersi de geçerlidir. Dolayısıyla Doppler etkisi, ses kaynağının veya alıcısının ayrı ayrı hareketine bağlı değildir. Karşılık gelen ses algısı, birbirlerine göre hareket etme sürecinde ortaya çıkar ve bu etki sadece ses dalgalarının değil aynı zamanda ışığın ve radyoaktif radyasyonun da karakteristiğidir.

Doppler efektinin uygulanması

Doppler etkisi çoğu durumda son derece önemli bir rol oynamaya devam ediyor farklı alanlar bilim ve insan etkinliği. Onun yardımıyla gökbilimciler evrenin sürekli genişlediğini ve yıldızların birbirlerinden "kaçtığını" öğrenebildiler. Ayrıca Doppler etkisi, uzay aracının ve gezegenlerin hareketinin parametrelerini belirlemeyi mümkün kılar. Aynı zamanda trafik polislerinin otomobiller için kullandığı radarların çalışmasının da temelini oluşturuyor. Aynı etki, enjeksiyon sırasında damarları arterlerden ayırmak için ultrason cihazı kullanan tıp uzmanları tarafından da kullanılır.