Doppler-effekt i lys: Rød og blå skift

Lysbølger fra en bevægelig kilde oplever Doppler-effekten til at resultere i enten et rødt skift eller et blåt skift i lysets frekvens. Dette er på en måde, der ligner (skønt ikke identisk) som andre slags bølger, såsom lydbølger. Den største forskel er, at lysbølger ikke kræver et medium til rejse, så klassisk anvendelse af Doppler-effekten gælder ikke nøjagtigt i denne situation.

Overvej to objekter: lyskilden og "lytteren" (eller observatøren). Da lysbølger, der rejser i tomt rum, ikke har noget medium, analyserer vi Doppler-effekten for lys med hensyn til bevægelse af kilden i forhold til lytteren.

Vi opsætter vores koordinatsystem, så den positive retning er fra lytteren mod kilden. Så hvis kilden bevæger sig væk fra lytteren, er dens hastighed v er positiv, men hvis det bevæger sig mod lytteren, så er v er negativ. Lytteren er i dette tilfælde altid anses for at være i ro (så v er virkelig det samlede beløb relativ hastighed mellem dem). Lysets hastighed c betragtes altid som positiv.

Lytteren modtager en frekvens f_L hvilket ville være anderledes end frekvensen transmitteret af kilden f_S. Dette beregnes med relativistisk mekanik ved at anvende den nødvendige længdekontraktion og opnår forholdet:

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

En lyskilde bevæger sig væk fra lytteren (v er positiv) ville give en f_L det er mindre end f_S. I synligt lysspektrum, dette medfører et skift mod den røde ende af lysspektret, så det kaldes a rødforskydning. Når lyskilden bevæger sig imod lytteren (v er negativ) f_L er større end f_S. I det synlige lysspektrum forårsager dette et skift mod høyfrekvente ende af lysspektret. Af en eller anden grund fik violet den korte ende af stokken, og sådan frekvensskift kaldes faktisk en blå skift. Det er klart, i området for det elektromagnetiske spektrum uden for det synlige lysspektrum, er disse skift muligvis faktisk ikke i retning af rød og blå. Hvis du for eksempel er i det infrarøde, skifter du ironisk nok væk fra rødt, når du oplever en "rødskift."

Politiet bruger denne ejendom i radarkasserne, de bruger til at spore hastighed. Radiobølger sendes ud, kolliderer med et køretøj og hopper tilbage. Køretøjets hastighed (som fungerer som kilden til den reflekterede bølge) bestemmer frekvensændringen, som kan detekteres med kassen. (Lignende applikationer kan bruges til at måle vindhastigheder i atmosfæren, som er "Doppler radar"som meteorologer er så glade for.)

Dette Doppler-skift bruges også til at spore satellitter. Ved at observere, hvordan frekvensen ændrer sig, kan du bestemme hastigheden i forhold til din placering, hvilket tillader jordbaseret sporing at analysere bevægelsen af ​​objekter i rummet.

I astronomi viser disse forskydninger sig nyttige. Når du observerer et system med to stjerner, kan du fortælle, hvad der bevæger sig mod dig og hvilken væk ved at analysere, hvordan frekvenserne ændres.

Endnu mere markant viser beviser fra analysen af ​​lys fra fjerne galakser, at lyset oplever en rødskift. Disse galakser bevæger sig væk fra Jorden. Faktisk er resultaterne af dette lidt ud over den blotte Doppler-effekt. Dette er faktisk et resultat af rumtid selv ekspanderer, som forudsagt af generel relativitet. Ekstrapoleringer af dette bevis sammen med andre fund understøtter "stort brag"billede af universets oprindelse.