اثر دوپلر به زبان ساده؛ از آژیر آمبولانس تا کشفیات کهکشانی

نور ساطع شده از کهکشان های دور پس از رسیدن به ناظر زمینی، ضعیف تر از حد انتظار است. این مشکل به دلیل پدیده انتقال به سرخ و انبساط کیهان به وجود می آید. ما می توانیم انتقال به سرخ را به اثر داپلر مرتبط کنیم، اما به اصل داپلر نسبیتی، نه کلاسیک.

ما فرمول اثر داپلر را در سرعت های بسیار کمتر از سرعت نور (برای سرعت صوت) به دست آوردیم. اما فرمول حاصل با سرعت های نزدیک به سرعت نور تغییر می کند.

جهان ما در حال انبساط است و نقاط مختلف فضا دائماً از یکدیگر دور می شوند. این انبساط با چیزی به نام ثابت هابل (H0) اندازه گیری می شود. ثابت هابل به ما می گوید که به ازای هر مگاپارسک فاصله بین آنها (که تقریباً 3.26 میلیون سال نوری است)، هر دو نقطه در فضا با سرعتی در حدود 70 کیلومتر در ثانیه از یکدیگر دور می شوند.

فوربس

شاید در نگاه اول سرعت 70 کیلومتر در ثانیه در مقیاس کیهانی ناچیز به نظر برسد، اما زمانی که این سرعت در فواصل وسیع و بی نهایت کیهان اعمال شود، نتایج شگفت انگیزی آشکار می شود. از آنجایی که این امر منجر به سرعت‌های فاصله بسیار زیاد می‌شود، نقاط مختلف فضا با افزایش سرعت از یکدیگر دور می‌شوند.

این روند انبساط تا زمانی ادامه می یابد که نرخ جداسازی نقطه به مرز سرعت های نسبیتی نزدیک شود. جایی که قوانین نسبیت شگفت انگیز انیشتین وارد عمل می شوند. به بیان ساده، جهان نه تنها در حال انبساط است، بلکه این انبساط با سرعتی فراتر از تصور ما رخ می دهد، پدیده ای که ابعاد وسیع و پویا کیهان را نشان می دهد.

امواج انرژی هستند و انرژی باید ثابت باشد. در اینجا به یک تناقض می رسیم. با توجه به اثر داپلر، فرکانس امواج صوت یا نور با حرکت منبع موج تغییر می کند. تغییر در فرکانس به معنای تغییر در انرژی است. آیا اصل پایداری انرژی زیر سوال رفته است؟ نگران نباشید، قانون اول ترمودینامیک همچنان اجرا می شود! این تغییر انرژی را می توان با تفاوت در حالت های انرژی بین فریم های مرجع توضیح داد.

اثر داپلر یکی از پدیده های فیزیکی شگفت انگیزی است که به دلیل رفتار منحصر به فرد امواج در محیط رخ می دهد. برخلاف ذرات، امواج مستقل از سرعت منبع ساطع خود حرکت می کنند. ویژگی های محیطی که موج در آن منتشر می شود سرعت آن را تعیین می کند. به زبان ساده، مهم نیست که منبع موج با چه سرعتی در حال حرکت است. امواج همیشه با سرعت ثابت و خاصی که محیط اجازه می دهد منتشر می شوند.

این مشخصه باعث می شود که امواج در جهت حرکت منبع فشرده (فرکانس بالاتر) و در جهت مخالف (فرکانس پایین) کشیده شوند. این فشردگی و کشش که در نتیجه حرکت منبع نسبت به ناظر رخ می دهد، مانند اثر داپلر است. اگر در چارچوب مرجع منبع باشید (به عنوان شخصی که با منبع حرکت می کند)، این تغییرات را احساس نمی کنید. زیرا حرکت شما فشرده سازی و کشش امواج را خنثی می کند.

طبق نظریه نسبیت انیشتین، نور در تمام چارچوب های مرجع با سرعت یکسانی حرکت می کند. تنها تفاوت نور بین دو قاب مرجع انرژی آن است. انرژی نور به طول موج آن بستگی دارد. یعنی اگر طول موج نور تغییر کند، انرژی آن نیز تغییر می کند. بنابراین، تنها تفاوت نور در دو قاب مرجع مختلف، طول موج آن است.

نور یا فوتون ها در واقع تحریک میدان الکترومغناطیسی هستند و به خودی خود هیچ ابعادی ندارند. کشیدن یک نقطه بدون بعد (کشش جزئی) معنایی ندارد. از آنجایی که جرم بقیه فوتون ها (نور) صفر است، نور همیشه باید با سرعت بالا حرکت کند. سرعت برابر با c (سرعت نور در خلاء).

بنابراین، از دیدگاه ریاضی، نور نمی تواند چارچوب مرجع خاص خود را داشته باشد. با این حال، با انتخاب یک قاب مرجع دلخواه برای نور، می‌توان حرکت آن را همراه با نوسانات آن ترسیم کرد. اینجاست که مفهوم طول موج مطرح می شود.

طول موج در واقع توصیفی از نور است، نه چیزی که نور از نظر فیزیکی دارای آن است. وقتی نور را از نظر طول موج در نظر می گیریم، می توان گفت که با گسترش فضا، طول موج نور نیز کشیده می شود. بنابراین، گسترش فضا باعث تغییر در توصیف طول موج نور می شود، نه اینکه خود نور به صورت فیزیکی کشیده شود.

همانطور که گفته شد، زمانی که سرعت افزایش می یابد و مقدار آن به سرعت نور نزدیک می شود، نسبیت وارد میدان می شود. اثر داپلر نسبیتی ترکیبی از دو پدیده است: اثر داپلر کلاسیک و اثرات ناشی از نسبیت خاص.

اثر داپلر در دنیای نسبیتی تفاوت های جالبی با آنچه در پدیده های روزمره می بینیم دارد. وقتی حرکت منبع یا ناظر به سرعتی نزدیک به سرعت نور می رسد (سرعت نسبیتی)، دیگر نمی توانیم اثر داپلر را با همان قوانین ساده فیزیک کلاسیک توضیح دهیم. در این شرایط نظریه نسبیت خاص اینشتین وارد میدان می شود و پیچیدگی های جدیدی به داستان می افزاید.

در سرعت های نسبیتی، علاوه بر تغییر در فرکانس و طول موج نور، اثر دیگری رخ می دهد: زمان توسط ناظران مختلف به طور متفاوت درک می شود. به این مفهوم «اتساع زمان» می گویند. این بدان معناست که ناظری که در حال حرکت است زمان را کندتر از ناظری که ساکن است تجربه می کند. این تغییر زمان بر فرکانس نور دریافتی ناظر تأثیر می گذارد.