Кез-келген құбылыс білімқұмар физиктің зерттеу нысаны бола алады: көлде жүзіп жүрген қайық, ойнап жатқан оркестр, тіпті жақындап қалған пойыздың дыбысы. Соңғысы, айтқандай өз кезінде атақты австрия ғалымы Кристиан Доплерді, кейіннен басқа ғалымдар көріністік тәжірибелердің көмегімен дәлелдеген теорияны сипаттауға бағыт сілтеді. Олардың еңбегінің нәтижесі, кейіннен Доплердің есімімен аталған әсерді сипаттау болды. Бұл әсер өз кезегінде тек астрономияның дамуына ғана үлес қосып қойған жоқ, тіпті қазіргі үлкен Жарылыс Теориясын сипаттауда да орасан алға басуға көмектесті. 

Кристиан Андреас Доплер (1803 — 1853). Австриялық математик және физик. Бақылаушымен қабылданатын толқын көздерінің жылдамдығы мен қозғалыс бағыты және бақылаушының бір-біріне қатыстылығынан туындайтын дыбыс жиілігінің және жарық тербелісінің тәуелділігін анықтаған. Доплер ашқан физикалық эффект Ғаламның пайда болуы туралы заманауи теориялардың бөлінбейтін бөлшегі болып табылады.

Кристиан Доплердің ашқан жаңалығының тарихы су бетіндегі қозғалыстағы денелерден пайда болған толқындардың қимыл-қозғалысына назар аударуынан басталды. Нысанның қозғалған жағына пайда болатын толқындардың жиілігі кері жаққа шығарылатын толқындардың жиілігіне қарағанда жоғары. Суретте аққудан тараған толқындардың біркелкі емес екендігін көруге болады: қайықтың қозғалған жағында олардың саны көп, алолардың артында аз. 

Маңызды! Толқын жиілігі – бұл уақыт бірлігі ішінде қайталаулар саны f=n/t (f – frequency, жиілік).

Су бетінде тербелген қалтқыдан толқындар тарайды, олардың саны барлық бағытта бірдей. Яғни барлығының жиілігі бірдей.

Осы бақылауларға сүйене отырып Доплер осы заңдылықты дыбыстық және жарықтық - толқындардың басқа түрлеріне ауыстыруға тырысты. Өткен нөмірлерден естеріңізде болса, толқындардың барлық түрлері бірдей қасиетке ие.

Ол бақылаушыға қатысты нысанның қозғалысына байланысты толқындардың көбею (азаю) жиілігін түсіндіретін теорияны құрастырды.

Мысалы, егер қайық біздің жаққа жүзсе бізге жететін толқындардың жиілігі жоғары болады, бізден кері жүзсе толқындардың жиілігі аз болады. 

Доплер әсері — бұл тыңдаушыға қатысты дыбыс көзінің орын ауыстыруы кезінде орын алатын дыбыс жиілігінің өзгеруі. Қозғалмай отырған тыңдаушыға дыбыстың шығу көзі жақындаған сайын жоғары ол қашықтаған сайын төменірек болып көрінеді. 

Доплердің теориясын тәжірибе жүзінде тексеріп көрудің алғашқы талпынысын 1845 жылы Христофор Бейс-Баллот жүзеге асырды. Бұл ерекше тәжірибені жасау үшін екі оркестр және сол кездің ең жүрдек пойызы (64 км/ч) қажет болды. Тәжірибе идеясы мынадай еді: Утрехтан Амстердамға жол тартқан пойызға белгілі бір ноталарды қатты ойнаған трубашылардың оркестрін жайғастырды. Перронда оларды Бейс-Баллот және сол нотаны ойнаған трубашылардың басқа тобы күтіп тұрды. Бұдан шыққан нәтиже мынау: пойыздан естілген нота дыбыстары жақындаған сайын трубашылар ойнағаннан өзгеше шықты (диссонсқа ұшырады, яғни нотаның тоны жоғары болды). Алайда екі оркестр де бірдей инструментте бірдей музыка ойнаған еді. Тіпті мәселе дауыс қаттылығында немесе сыртқы шуда да емес еді. Ғалым пойыз жақындаған сайын диссонанс жоғала бастады, пойыз перронға келгенде толық жоғалды. Бұдан әрі, кері процесс орын алды: пойыз қашықтаған сайын диссонанс күшейе түсті. Мүмкін сіз мұндай құбылысты бақылаған боларсыз: жаныңыздан өтіп бара жатқан жедел жәрдем машинасының дабыл сарынын есіңізге түсіріңіз. Дабыл үш түрлі тонда ойналатын тәрізді әсер береді, солай бола тұрса да ол оны өзгерте алмайды.

Дыбыс толқындарының қимыл қозғалысының, мысалдағы біз бақылаған қайықтың көлдегі қозғалысымен ұқсастығына назар аударыңыздар .

Бұл тәжірибе Доплердің пайымдауларының дұрыстығын растады және болашақта ғалымдарға осы заңдылықты пайдалануға және осыған ұқсас, ендігіде электрмагнитті толқындарда тәжірибелер жүргізуге мүмкіндік берді.  

Біз өзіміз байқамай электрмагнитті толқындармен жиі ұшырасамыз (радиотолқындар, рентген сәулелері, инфрақызыл сәулелер), бірақ оның ең үйреншіктісі көрінетін жарық болып табылады. Кез-келген толқын жиілікпен сипатталады (f) немесе толқын ұзындығымен (λ), әрі екіншісін білсең бірінші параметрді алу барынша оңай.

Мұндағы v – толқынның фазалы жылдамдығы (электрмагнитті толқындар үшін, v = 299 792 458 м/c); T – тербеліс периоды (шама жиілікке кері).

Электрмагнитті толқындардың ұзындығы әр түрлі болуы мүмкін, бірақ адамның көзі тек белгілі бір толқындар спектрін ғана ажыратады. Олардың ұзындығы 400 нанометрден (күлгін) басталып 700 нанометрмен (қызыл) аяқталады. Электрмагнитті толқындардың ұзындығына байланысты көз оны белгілі бір түс ретінде ажыратады. Мысалы, біз нені көк түс деп айтамыз- бұл 400-450 нм диапазонындағы толқындардың сәулеленуі.

Бұрында атап өткендей, Доплер акустикалық және оптикалық толқындар арасында параллель жүргізді. Идеялары алғаш рет мазмұндалған өзінің негізгі еңбегінде ғалым мына сұрақтарға жауап іздеді: «Неге жұлдыздар әртүрлі түсте болады?» Ол келесі пайымдауларға сүйенді: 1) әлбетте, жұлдыздар жарық шығару көздері болып табылады. 2) шығарылған жарық – бұл барлық түстердің біркелкі қисыны (бірдей үйлесімділікте).

Егер барлық көрінген түстерді араластырса, сіз ақ түс аласыз (бұл жарыққа ғана қатысты).Жарық көзінің қозғалуына байланысты ол шығаратын жарық жиілігінің ұлғаюы немесе азаюы орын алады. Біз оны түстің өзгеруі түрінде көреміз, өйткені осыған сәйкес толқын ұзындығы да өзгереді. Аққумен жүргізілген мысалды еске алыңыз. Доплер араластыру кезінде кейбір түстік компоненттер көрініп тұрған спектрден «шығып» кететін тәрізді, ал қалған қиысулар жұлдыздың түсін анықтайды.

Кейіннен оның теориясында дәлсіздіктер бар екені анықталды, ол кезде адамзат баласының жарық табиғаты туралы жеткілікті білімі болмады.

Доплердің ең басты қателігі, ол жұлдыздар ақ түсті жарық шығарады деп есептеді. Ол инфрақызыл және ультракүлгін сәулеленулердің бар екенін білмеді (жоғарыда көрсетілген суретке назар аударыңыз, көрініп тұрған жарық осы сәулелену түрлерінің аралығында тұр). Дегенмен, жарық көзінің қозғалысы кезінде толқын ұзындығының өзгеруі туралы жалпы пайымдаулары дұрыс болды.

Бор атомының қарапайым үлгісіне сәйкес электрондар атом ядросының айналасында нақты анықталған орбиталарда орналасқан (Атомның планеталық жүйесі). Сонымен бірге, олар энергияны шығара және жұта отырып орбитадан орбитаға секіріп өте алады және де бұл құбылыс кванттық секіру деп аталады. Егер электрон барынша төмен орбитаға өтсе, ол квант энергияны жоғалтады және квант жарығын-фотонды шығарады, ол кванттық секіру кезінде энергия жоғалтуға тәуелді толқындардың қатаң белгіленген ұзындығымен сипатталады. Осылай жарық шашатын фотондарды біз белгілі бір түстің жарқырауы деп қабылдаймыз- мысалы қызған мыс сым көк болып жанады. Бұл кері үрдістің де дұрыстығын көрсетеді, мысалы металды қыздырғанда көк жарықтың болуы оның мыс екендігінің көрінісі. Атомдардың жарқырауы және оның құрылымы арасындағы өзара байланыстарды зерттеумен «спектроскопия» деп аталатын физиканың бір бөлімі айналысады.

Сіз өзіңізді телескоппен ғарыштағы қызған сымның арт жағын бақылап тұрмын және ол көк жарық шашып тұр- деп елестетіңіз. Сіз тағы да ол мыс деп айтуыңыз мүмкін. Міне алыс жұлдыздарды спектральды талдау негізінде нақ осындай қағидатжатыр. Тек жұлдыздардың мыстан емес гелий мен сутегінен тұратынын атап айта кеткен жөн.  

Американдық астроном Эдвин Хаббл алғаш рет ең соңғы үлгідегі телескопта жуық галактикаларға дейінгі қашықтықты өлшей отырып, алыс жұлдыздардың спектральды талдауы жақын орналасқан ұқсас жұлдыздардан өзгеше екендігін анықтады. Әрі түстер қызыл аймаққа жылжытылған (жоғарыдағы суретті қараңыз). Бұл құбылыстың жалғыз ақ түсінігі Доплер эффектісі болуы мүмкін. Яғни алысырақ орналасқан жұлдыздан шығатын Жерге бағытталған жарық ұзын болған, яғни барынша қызылырақ. Мұндай «қызару» , яғни қызыл қозғалыс барлық көрініп тұрған жұлдыздарға қатысты байқалды.

Бұл Хабблды барлық жұлдыздар бір бірінен алшақтайды деген идеяға әкелді. Әрі жұлдыз алыс тұрған сайын оның тікелей салдары Әлемді кеңейту туралы ессіз идеяның негізінде жатыр. Егер уақытты кері «айналдырсақ» онда жұлдыздар бір біріне жақын орналасқан. Уақытты кері «айналдыруды жалғастыра отырып, ақыр соңында мынадай көріністі бақылаймыз: бастапқы кезеңде барлық жұлдыздар бір жерде, бір нүктеде болды. Бұл біздің әлемнің пайда болуы еді. Бүгінде үлкен Жарылыс Теориясы Әлемнің пайда болуының ең ойға қонымды және дәлелденген үлгісі және оны ғалымдар Доплер әсерінің арқасында дәлелдей алды.