Dopplereffekt i ljusröd och blå skift

Ljusvågor från en rörlig källa upplever Doppler-effekten och resulterar i antingen en röd växling eller blå förskjutning i ljusets frekvens. Detta är på ett sätt som liknar (även om det inte är identiskt) med andra slags vågor, till exempel ljudvågor. Den största skillnaden är att ljusvågor inte kräver ett medium för resor, så den klassiska tillämpningen av Doppler-effekten gäller inte exakt i denna situation.

Relativistisk dopplereffekt för ljus

Tänk på två objekt: ljuskällan och "lyssnaren" (eller observatören). Eftersom ljusvågor som reser i tomt utrymme inte har något medium, analyserar vi Doppler-effekten för ljus i termer av källans rörelse relativt lyssnaren.

Vi sätter upp vårt koordinatsystem så att den positiva riktningen är från lyssnaren mot källan. Så om källan rör sig bort från lyssnaren är dess hastighet v är positivt, men om det rör sig mot lyssnaren, då v är negativ. Lyssnaren, i det här fallet, är det alltid anses vara i vila (så v är verkligen den totala relativa hastigheten mellan dem). Ljushastigheten c anses alltid vara positivt.

Lyssnaren får en frekvens f_L vilket skulle skilja sig från frekvensen som överförs av källan f_S. Detta beräknas med relativistisk mekanik genom att tillämpa nödvändig längdkontraktion och erhåller förhållandet:

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

Red Shift & Blue Shift

En ljuskälla som rör sig bort från lyssnaren (v är positivt) skulle ge en f_L det är mindre än f_S. I det synliga ljusspektrumet orsakar detta en förskjutning mot den röda änden av ljusspektrumet, så det kallas a rödförskjutning. När ljuskällan rör sig mot lyssnaren (v är negativt) f_L är större än f_S. I det synliga ljusspektrumet orsakar detta en förskjutning mot ljusfrekvensens högfrekventa ände. Av någon anledning fick violetten den korta änden av pinnen och sådan frekvensförskjutning kallas faktiskt en blå skift. Uppenbarligen, i området för det elektromagnetiska spektrumet utanför det synliga ljusspektrumet, kanske dessa förskjutningar faktiskt inte är mot rött och blått. Om du till exempel är i det infraröda, skiftar du ironiskt bort från rött när du upplever en "redshift."

tillämpningar

Polisen använder den här egenskapen i radarboxarna som de använder för att spåra hastighet. Radiovågor sänds ut, kolliderar med ett fordon och studsar tillbaka. Fordonets hastighet (som fungerar som källan till den reflekterade vågen) avgör förändringen i frekvens, som kan detekteras med lådan. (Liknande applikationer kan användas för att mäta vindhastigheter i atmosfären, som är "Doppler-radaren" som meteorologer är så förtjust i.)

Denna Doppler-växling används också för att spåra satelliter. Genom att observera hur frekvensen ändras kan du bestämma hastigheten i förhållande till din plats, vilket tillåter markbaserad spårning att analysera rörelsens objekt i rymden.

I astronomi visar sig dessa förändringar vara till hjälp. När du observerar ett system med två stjärnor kan du berätta vilken som rör sig mot dig och vilken bort genom att analysera hur frekvenserna förändras.

Ännu mer markant visar bevis från analysen av ljus från avlägsna galaxer att ljuset upplever en röd förskjutning. Dessa galaxer rör sig bort från jorden. I själva verket är resultaten av detta lite utöver bara Doppler-effekten. Detta är faktiskt ett resultat av att rymdtiden i sig utvidgats, vilket förutses av den allmänna relativiteten. Extrapolationer av detta bevis, tillsammans med andra fynd, stödjer "big bang" -bilden av universums ursprung.