Doppler-Effekt bei Hellrot- und Blauverschiebung

Lichtwellen von einer sich bewegenden Quelle erfahren den Doppler-Effekt, der entweder zu einer Rotverschiebung oder zu einer Blauverschiebung der Lichtfrequenz führt. Dies ist in ähnlicher Weise (wenn auch nicht identisch) mit anderen Arten von Wellen, wie beispielsweise Schallwellen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Lichtwellen kein Medium zum Reisen benötigen, sodass die klassische Anwendung des Doppler-Effekts nicht genau auf diese Situation zutrifft.

Relativistischer Doppler-Effekt für Licht

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 zeigt. Wenn sich also die Quelle vom Hörer entfernt, ist ihre Geschwindigkeit v ist positiv, aber wenn es sich in Richtung des Hörers bewegt, dann die v ist negativ. Der Hörer ist in diesem Fall immer in Ruhe sein (so v ist wirklich die gesamte Relativgeschwindigkeit zwischen ihnen). Die Lichtgeschwindigkeit c wird immer als positiv angesehen.

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

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

Red Shift & Blue Shift

Eine sich bewegende Lichtquelle Weg vom Zuhörer (v ist positiv) würde eine f_L das ist weniger als f_S. Im sichtbaren Lichtspektrum bewirkt dies eine Verschiebung in Richtung des roten Endes des Lichtspektrums, so dass es als a bezeichnet wird Rotverschiebung. Wenn sich die Lichtquelle bewegt zu der Zuhörer (v ist negativ), dann f_L ist größer als f_S. Dies führt im sichtbaren Lichtspektrum zu einer Verschiebung zum hochfrequenten Ende des Lichtspektrums. Aus irgendeinem Grund hat Violet das kurze Ende des Sticks und eine solche Frequenzverschiebung wird tatsächlich als a bezeichnet Blauverschiebung. Offensichtlich sind diese Verschiebungen im Bereich des elektromagnetischen Spektrums außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums möglicherweise nicht wirklich in Richtung Rot und Blau. Wenn Sie sich zum Beispiel im Infrarot bewegen, verändern Sie sich ironischerweise Weg von Rot, wenn Sie eine "Rotverschiebung" erleben.

Anwendungen

Die Polizei verwendet diese Eigenschaft in den Radarboxen, mit denen sie die Geschwindigkeit verfolgt. Funkwellen werden ausgesendet, kollidieren mit einem Fahrzeug und prallen zurück. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (die 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. Dies ist das "Doppler-Radar", das Meteorologen so lieben.)

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

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

Noch bedeutsamer ist, dass Hinweise aus der Analyse von Licht aus fernen Galaxien zeigen, dass das Licht eine Rotverschiebung erfährt. Diese Galaxien entfernen sich von der Erde. Tatsächlich geht das Ergebnis etwas über den bloßen Doppler-Effekt hinaus. Dies ist eigentlich ein Ergebnis der Ausdehnung der Raumzeit selbst, wie dies durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird. Extrapolationen dieser Beweise stützen zusammen mit anderen Befunden das Urknallbild des Ursprungs des Universums.