Doppler-Effekt bei Licht: Rot- und Blauverschiebung

Lichtwellen von einer sich bewegenden Quelle erfahren den Doppler-Effekt und führen entweder zu einer Rot- oder Blauverschiebung der Lichtfrequenz. Dies ist in ähnlicher Weise (wenn auch nicht identisch) mit anderen Arten von Wellen, wie z. B. Schallwellen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Lichtwellen kein Medium für die Reise benötigen klassische Anwendung des Doppler-Effekts trifft nicht genau auf diese Situation zu.

Betrachten Sie zwei Objekte: die Lichtquelle und den "Zuhörer" (oder Beobachter). Da Lichtwellen, die sich im leeren Raum bewegen, kein Medium haben, analysieren wir den Doppler-Effekt für Licht im Hinblick auf die Bewegung der Quelle relativ zum Hörer.

Wir richten unser Koordinatensystem so ein, dass die positive Richtung vom Hörer zur Quelle verläuft. Wenn sich die Quelle also vom Hörer entfernt, ist ihre Geschwindigkeit v ist positiv, aber wenn es sich auf den Hörer zubewegt, dann ist das v ist negativ. Der Zuhörer ist in diesem Fall

Der Hörer empfängt eine Frequenz f_L. Dies würde sich von der von der Quelle übertragenen Frequenz unterscheiden f_S.. Dies wird mit relativistischer Mechanik berechnet, indem die notwendige Längenkontraktion angewendet wird, und erhält die Beziehung:

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

Eine sich bewegende Lichtquelle Weg vom Zuhörer (v ist positiv) würde eine f_L. das ist weniger als f_S.. In dem sichtbares LichtspektrumDies bewirkt eine Verschiebung zum roten Ende des Lichtspektrums, daher wird es als a bezeichnet Rotverschiebung. Wenn sich die Lichtquelle bewegt zu der Zuhörer (v ist dann negativ) f_L. ist größer als f_S.. Im sichtbaren Lichtspektrum bewirkt dies eine Verschiebung zum hochfrequenten Ende des Lichtspektrums. Aus irgendeinem Grund hat Violett das kurze Ende des Sticks und eine solche Frequenzverschiebung wird tatsächlich als a bezeichnet Blauverschiebung. Offensichtlich liegen diese Verschiebungen im Bereich des elektromagnetischen Spektrums außerhalb des Spektrums des sichtbaren Lichts möglicherweise nicht in Richtung Rot und Blau. Wenn Sie sich zum Beispiel im Infrarot befinden, verschieben Sie sich ironischerweise Weg von rot, wenn Sie eine "Rotverschiebung" erleben.

Die Polizei verwendet diese Eigenschaft in den Radarboxen, mit denen sie die Geschwindigkeit verfolgt. Radiowellen übertragen werden, mit einem Fahrzeug kollidieren und zurückprallen. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (das als Quelle der reflektierten Welle fungiert) bestimmt die Frequenzänderung, die mit der Box erfasst werden kann. (Ähnliche Anwendungen können verwendet werden, um Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre zu messen.Doppler-Radar"welche Meteorologen so gern haben.)

Diese Doppler-Verschiebung wird auch zur Verfolgung von Satelliten verwendet. Indem Sie beobachten, wie sich die Frequenz ändert, können Sie die Geschwindigkeit relativ zu Ihrem Standort bestimmen. Auf diese Weise kann die bodengestützte Verfolgung die Bewegung von Objekten im Raum analysieren.

In der Astronomie erweisen sich diese Verschiebungen als hilfreich. Wenn Sie ein System mit zwei Sternen beobachten, können Sie erkennen, welches sich auf Sie zubewegt und welches davon entfernt, indem Sie analysieren, wie sich die Frequenzen ändern.

Noch wichtiger ist, dass die Analyse des Lichts entfernter Galaxien zeigt, dass das Licht eine Rotverschiebung erfährt. Diese Galaxien entfernen sich von der Erde. Tatsächlich gehen die Ergebnisse etwas über den bloßen Doppler-Effekt hinaus. Das ist eigentlich ein Ergebnis der Raumzeit selbst expandiert, wie vorhergesagt von generelle Relativität. Hochrechnungen dieser Beweise stützen zusammen mit anderen Befunden die "Urknall"Bild vom Ursprung des Universums.