تأثير دوبلر في الضوء: التحول الأحمر والأزرق

تمر موجات الضوء من مصدر متحرك بتجربة تأثير دوبلر إما لإحداث تحول أحمر أو تحول أزرق في تردد الضوء. هذا بطريقة مماثلة (وإن لم تكن متطابقة) مع أنواع أخرى من الموجات ، مثل الموجات الصوتية. والفرق الرئيسي هو أن موجات الضوء لا تتطلب وسيلة للسفر ، لذلك فإن التطبيق الكلاسيكي لتأثير دوبلر لا ينطبق بالضبط على هذا الموقف.

تأمل في شيئين: مصدر الضوء و "المستمع" (أو المراقب). نظرًا لأن موجات الضوء التي تسافر في مساحة فارغة ليس لها وسيط ، فإننا نحلل تأثير دوبلر للضوء من حيث حركة المصدر بالنسبة للمستمع.

أنشأنا نظام الإحداثيات الخاص بنا بحيث يكون الاتجاه الإيجابي من المستمع نحو المصدر. لذا إذا كان المصدر يتحرك بعيدًا عن المستمع ، فإن سرعته الخامس هو إيجابي ، ولكن إذا كان يتحرك نحو المستمع ، ثم الخامس سلبي. المستمع ، في هذه الحالة ، هو دائما تعتبر في حالة راحة (لذلك الخامس هو حقا المجموع السرعة النسبية بينهم). سرعة الضوء ج تعتبر دائما إيجابية.

يتلقى المستمع ترددًا F_لام والتي ستكون مختلفة عن التردد الذي يرسله المصدر F_س. يتم حساب ذلك باستخدام الميكانيكا النسبية ، من خلال تطبيق تقلص الطول الضروري ، والحصول على العلاقة:

F_لام = sqrt [( ج - الخامس)/( ج + الخامس)] * F_س

يتحرك مصدر الضوء بعيدا من المستمع (الخامس هو إيجابي) سيوفر F_لام هذا أقل من F_س. في ال طيف الضوء المرئي، هذا يتسبب في التحول نحو الطرف الأحمر من طيف الضوء ، لذلك يطلق عليه أ الانزياح الأحمر. عندما يتحرك مصدر الضوء باتجاه المستمع (الخامس هو سلبي) ، ثم F_لام أكبر من F_س. في طيف الضوء المرئي ، يتسبب هذا في التحول نحو نهاية التردد العالي للطيف الضوئي. لسبب ما ، حصلت البنفسج على نهاية قصيرة للعصا ويسمى هذا التحول في التردد في الواقع تحول الأزرق. من الواضح أنه في منطقة الطيف الكهرومغناطيسي خارج طيف الضوء المرئي ، قد لا تكون هذه التحولات في الواقع باتجاه الأحمر والأزرق. إذا كنت تعمل بالأشعة تحت الحمراء ، على سبيل المثال ، فأنت تتحول بسخرية بعيدا من اللون الأحمر عند تجربة "الانزياح الأحمر".

تستخدم الشرطة هذه الخاصية في صناديق الرادار التي تستخدمها لتتبع السرعة. موجات الراديو تنتقل وتصطدم بسيارة وترتد. تحدد سرعة السيارة (التي تعمل كمصدر للموجة المنعكسة) التغير في التردد ، والذي يمكن اكتشافه بواسطة الصندوق. (يمكن استخدام تطبيقات مماثلة لقياس سرعات الرياح في الغلاف الجوي ، وهو "رادار دوبلر"التي يحبها خبراء الأرصاد الجوية جدًا.)

يستخدم هذا التحول الدوبلري أيضًا لتتبع الأقمار الصناعية. بمراقبة كيفية تغير التردد ، يمكنك تحديد السرعة بالنسبة لموقعك ، مما يسمح بالتتبع الأرضي لتحليل حركة الأشياء في الفضاء.

في علم الفلك ، أثبتت هذه التحولات أنها مفيدة. عند مراقبة نظام بنجمتين ، يمكنك معرفة أيهما يتحرك نحوك وأيهما بعيد عن طريق تحليل كيفية تغير الترددات.

والأهم من ذلك ، تظهر الأدلة من تحليل الضوء من المجرات البعيدة أن الضوء يواجه انزياحًا أحمر. تتحرك هذه المجرات بعيدًا عن الأرض. في الواقع ، نتائج هذا أبعد قليلاً من تأثير دوبلر. هذا في الواقع نتيجة الزمكان تتوسع نفسها ، كما تنبأ بها النسبية العامة. إن استقراء هذه الأدلة ، إلى جانب النتائج الأخرى ، تدعم "الانفجار العظيم"صورة أصل الكون.