Článek
Nezávislá skupina vědkyň a vědců z českých i zahraničních výzkumných institucí odpovídá na vaše dotazy. Některé odpovědi pak sdílí i na sociálních sítích Facebook, Twitter, Instagram, Threads a zde na Médiu.
Dotaz
Je možné pozorovat/demonstrovat Dopplerův jev na elektromagnetickém záření holým okem? U zvuku je to poměrně známý a populární jev, který se dá snadno ukázat a pozorovat (resp. poslouchat).
Minutová odpověď
- Dopplerův jev souvisí se vzájemným pohybem mezi odesílatelem a příjemcem daného signálu, proto je jedno, jedná-li se o zvukovou nebo elektromagnetickou vlnu.
- Dopplerova jevu s využitím elektromagnetických vln je hojně využíváno, například při pozorováních vesmíru, měření rychlosti aut nebo satelitů nebo při spektroskopických měřeních pohybu atomů a molekul.
- Jelikož se elektromagnetické vlny pohybují rychlostí světla, je těžké pozorovat Dopplerův jev pouhým okem.
Odpověď
Dopplerův jev ovlivňuje libovolné vlny, které odesílatel vysílá příjemci, jenž se vůči němu pohybuje. Projeví se proto jak u zvukových, tak i elektromagnetických vln [1]. U zvukových vln je Dopplerův jev snadno vnímatelný sluchem. Projíždějící sanitka bude znít chodci jinak, bude-li se přibližovat nebo vzdalovat. U elektromagnetických vln to už tak snadné není.
Rychlost světla je nejvyšší přípustná rychlost ve vesmíru
V případě elektromagnetických vln musíme pro odvození Dopplerova jevu vycházet z relativistické mechaniky [1], protože žádná vlna se nemůže pohybovat větší rychlostí, než je rychlost světla, což komplikuje sčítání rychlostí při vzájemném pohybu odesílatele vlny a jejím příjemcem.
Každopádně při správném odvození dospějeme k závěru, že pohybuje-li se zdroj elektromagnetické vlny od nás, bude frekvence vlny nižší, než kdyby byl zdroj vlny nehybný. V opačném případě (zdroj se pohybuje směrem k nám) bude frekvence vyšší. Bude-li zdroj vysílat viditelné světlo, viděli bychom, že při pohybu zdroje od nás se světlo bude jevit červenější – hovoříme o tzv. červeném posuvu. V opačném případě bude světlo modřejší – hovoříme o tzv. modrém posuvu.
Dopplerův jev slyšíme, ale nevidíme
Podstatným rozdílem mezi světlem a zvukovou vlnou je, že Dopplerův jev slyšíme, ale nevidíme. To si můžeme snadno ověřit na projíždějící sanitce, kde slyšíme postupně klesající tón houkačky, ale nevidíme červenající barvu majáku na střeše sanitky. Ale proč tomu tak je?
Příčinu musíme hledat v rychlosti, se kterou se pohybuje světlo a zvuk. Světlo se pohybuje přibližně 300 000 km/s, zvuk pouze 0,3 km/s. To znamená, že projíždějící sanitka se pohybuje rychlostí srovnatelnou se zvukem (například 0,03 km/s, což odpovídá 108 km/h), ale nikoliv se světlem.
Změna frekvence souvisí s poměrem vzájemné rychlosti odesílatele a příjemce a rychlosti vlnění, proto lze Dopplerův jev u sanitky slyšet, ale ne vidět. To však neznamená, že by Dopplerův jev majáku sanitky nebyl měřitelný dostatečně přesným přístrojem.
Dopplerova jevu využívá policie
Dopplerův jev u elektromagnetického záření má mnoho využití. Například policejní radary využívají rádiových vln k měření rychlosti vozidel [2]. Radar vyšle rádiovou vlnu o známé frekvenci, která se odrazí od projíždějícího vozidla. Rychlost vozidla vůči radaru určí změnu frekvence při odrazu. Radar pak vypočítá rychlost vozidla z frekvencí původního a odraženého signálu.
Například vozidlo, které se pohybuje rychlostí 100 km/h, způsobí změnu frekvence radaru pracujícího na 24 GHz (24 000 000 000 Hz) o velikosti pouhých 4480 Hz! Ale i takto nepatrná změna je dobře měřitelná.
Vesmír se rozpíná
Dalším příkladem může být červený posuv světla, které dopadá na Zemi ze vzdálených galaxií [3]. Jak ale víme, že se jedná o červený posuv? Toto světlo totiž nese charakteristické spektrální čáry atomů, které tvoří oblaka plynu obklopující vzdálené hvězdy.
Když porovnáme pozice těchto spektrálních čar s měřením v laboratoři, zjistíme, že pozice všech čar jsou posunuty k nižším frekvencím, a pozorujeme tedy červený posuv. Jelikož měříme posuv červený a nikoliv modrý, můžeme usoudit, že se od nás vzdálené galaxie vzdalují. Tento závěr je naprosto průlomový! Znamená totiž, že vesmír se rozpíná, což je jedním z důsledků velkého třesku, který ohraničuje okamžik vzniku našeho vesmíru.
Závěr
I přes to, že Dopplerův jev je u světla obtížné zaznamenat pouhým okem, hraje důležitou roli v mnoha běžných technologiích [4, 5] a dokonce nám umožnil zjistit průlomové objevy týkající se vzniku vesmíru.
Za Zeptej se vědce odpovídal Vítek
Ing. Vít Svoboda, Dr. sc. ETH Zürich, JILA — CU Boulder & NIST
Odbornou revizi poskytl MMath Jonáš Fuksa, Freie Universität Berlin
Odpověď editovali Luděk Vašta a Ing. Kristýna Kantnerová, Dr. sc. ETH Zürich, University of Colorado Boulder, Geological Sciences & Institute of Arctic and Alpine Research
Zdroje
[1] C. H. Papas, Theory of Electromagnetic Wave Propagation (McGraw-Hill, New York, 1965)
[2] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Sound/radar.html
[3] https://www.science.org.au/curious/space-time/how-do-astronomers-know-universe-expanding
[4] https://ieeexplore.ieee.org/document/1603402
[5] https://doi.org/10.1145/2207676.2208331
K dalšímu čtení:
https://en.wikipedia.org/wiki/On_the_coloured_light_of_the_binary_stars_and_some_other_stars_of_the_heavens – anglický výtah z původního Dopplerova pojednání, ve kterém popsal existenci dnes označovaného Dopplerova efektu
https://archive.org/details/ueberdasfarbigel00doppuoft/page/n5/mode/2up?view=theater – plné znění textu v němčině
Zeptej se vědce
Projekt Zeptej se vědce se snaží zprostředkovat kontakt mezi vědeckou a nevědeckou veřejností. Máte-li na vědce nějaký dotaz, zeptejte se nás na Facebooku, Twitteru nebo Instagramu. Líbí se vám naše příspěvky? Budeme rádi, když podpoříte naši činnost: darujme.cz/projekt/120942
