Wissenschaft

Doppler-Effekt bei Licht: Rot

Lichtwellen von einer sich bewegenden Quelle erfahren den Doppler-Effekt und führen entweder zu einer Rot- oder Blauverschiebung der Lichtfrequenz. Dies ist in ähnlicher Weise (wenn auch nicht identisch) mit anderen Arten von Wellen, wie z. B. Schallwellen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Lichtwellen kein Medium für die Reise 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 verläuft. Wenn sich die Quelle vom Hörer wegbewegt, ist ihre Geschwindigkeit v positiv, aber wenn sie sich zum Hörer hin bewegt, ist das v negativ. In diesem Fall wird der Hörer immer als in Ruhe betrachtet (also ist v tatsächlich die gesamte Relativgeschwindigkeit zwischen ihnen). Die Lichtgeschwindigkeit c wird immer als positiv angesehen.

Der Hörer empfängt eine Frequenz f L, die sich von der von der Quelle f S übertragenen Frequenz unterscheiden würde . Dies wird mit relativistischer Mechanik berechnet, indem die notwendige Längenkontraktion angewendet wird, und erhält die Beziehung:

f L=sqrt [( cv ) / ( c + v )] * f S.

 

Rotverschiebung & Blauverschiebung

Eine vom Hörer entfernte Lichtquelle ( v ist positiv) würde ein f L liefern , das kleiner als f S ist . Im sichtbaren Lichtspektrum bewirkt dies eine Verschiebung zum roten Ende des Lichtspektrums, so dass es als Rotverschiebung bezeichnet wird . Wenn die Lichtquelle bewegt sich in Richtung auf den Hörer ( v negativ ist ), dann f L größer als f S . Im sichtbaren Lichtspektrum bewirkt dies eine Verschiebung zum hochfrequenten Ende des Lichtspektrums. Aus irgendeinem Grund hat Violett das kurze Ende des Sticks und eine solche Frequenzverschiebung wird eigentlich als Blauverschiebung bezeichnet . Offensichtlich liegen diese Verschiebungen im Bereich des elektromagnetischen Spektrums außerhalb des Spektrums des sichtbaren Lichts möglicherweise nicht in Richtung Rot und Blau. Wenn Sie sich zum Beispiel im Infrarot befinden, verschieben Sie sich ironischerweise von Rot weg, 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 (das 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, die das “ Doppler-Radar. ist, das Meteorologen so gern haben.)

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

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

Noch wichtiger ist, dass die Analyse von Licht aus fernen Galaxien zeigt, dass das Licht eine Rotverschiebung erfährt. Diese Galaxien entfernen sich von der Erde. Tatsächlich gehen die Ergebnisse etwas über den bloßen Doppler-Effekt hinaus. Dies ist tatsächlich ein Ergebnis der Raumzeit selbst, die sich ausdehnt, wie durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt . Extrapolationen dieser Beweise stützen zusammen mit anderen Befunden das “ Urknall. -Bild des Ursprungs des Universums.

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