Объектом изучения любознательного физика может стать любое явление: плавающая в озере лодка, играющий оркестр и даже звук приближающегося поезда. Последнее, кстати, в своё время натолкнуло выдающегося австрийского учёного Кристиана Доплера на описание теории, которую позже докажут другие учёные с помощью серии зрелищных экспериментов. Результатом их труда стало описание эффекта, который позже назовут в честь Доплера.

Этот эффект в свою очередь дал огромный скачок не только в развитии астрономии, но и, возможно, даже в описании современной Теории Большого взрыва.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5. Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

История открытия Кристиана Доплера началась с того, что он обратил внимание на поведение волн, получающихся на поверхности воды от движущихся тел. Частота волн, исходящих в сторону движения объекта, выше, чем частота волн, исходящих в противоположную сторону. На рисунке можно увидеть, что волны расходятся от лодки неравномерно: в сторону движения лодки их количество больше, а за ней — меньше.

Важно! Частота волн — это количество повторений за единицу времени (f — frequency, частота).

Тогда как от поплавка, качающегося на воде, расходятся волны, количество которых одинаково во всех направлениях. То есть, у них одинаковая частота.

Исходя из этих наблюдений, Доплер попытался перенести эту закономерность на другие виды волн: звуковые и световые. Как вы помните из предыдущего номера, все типы волн имеют одинаковые свойства.  Он сформулировал теорию, которая объясняла увеличение (уменьшение) частоты волн в зависимости от движения объекта относительно наблюдателя. Например, если лодка плывёт в нашу сторону частота доходящих до нас волн будет выше, а частота волн, отходящих от нас (и от лодки), будет меньше.

Первую попытку экспериментально проверить теорию Доплера осуществил Христофор Бейс-Баллот в 1845 году. Для проведения этого необычного эксперимента понадобилось два оркестра и самый быстрый поезд того времени (64 км/ч). Идея эксперимента заключалась в следующем: на поезде, следовавшем из Утрехта в Амстердам, разместили оркестр трубачей, которые громко играли определённую ноту. На перроне их дожидался Бейс-Баллот и другая группа трубачей, которая играла ту же ноту. Вот что из всего этого вышло: звук ноты с поезда при приближении звучал иначе (диссонировал, то есть тон ноты был выше) с тем, что играли трубачи. Хотя оба оркестра играли одно и то же, на одинаковых инструментах. И дело было не в громкости или посторонних шумах.

Учёный установил, что с приближением поезда диссонанс исчезал, вплоть до полного его исчезновения, когда поезд был у перрона. Далее произошёл обратный процесс: чем дальше поезд удалялся, тем сильнее становился диссонанс. Возможно, вы тоже были свидетелем подобного явления: вспомните вой сирены проезжающей мимо вас машины скорой помощи. Складывается ощущение, что сирена играет на трёх разных тонах, при том, что она не могла его менять.

Обратите внимание на сходство поведения звуковых волн с тем, что мы наблюдали на примере с движением лодки по озеру.

Этот эксперимент подтвердил верность суждений Доплера и позволил в будущем учёным использовать эту закономерность и провести аналогичный эксперимент, но уже на электромагнитных волнах.

Сами того не подозревая, мы часто сталкиваемся с электромагнитными волнами (радиоволны, рентгеновские лучи, инфракрасное излучение), но самым привычным из них является видимый свет. Любая волна характеризуется частотой (f) или длиной волны (λ), причем получить один параметр, зная другой, достаточно просто.

Где v — фазовая скорость, волны (для электромагнитных волн, v = 299 792 458 м/c); T — период колебаний (величина обратная частоте).

Длина электромагнитных волн может быть разной, но человеческий глаз различает только определённый спектр волн. Их длина начинается от 400 нанометров (фиолетовый) и заканчивается 700 нанометрами (красный).

В зависимости от длины электромагнитной волны, глаз распознаёт её как определённый цвет. Например, то, что мы называем синим цветом — это излучение волны в диапазоне от 400 — 450 нм.

Как мы отметили ранее, Доплер провёл параллель между распространением акустических и оптических волн. В своей основной работе, где впервые были изложены его идеи, учёный задался вопросом: «Почему звёзды имеют тот или иной цвет?». Он исходил из следующих соображений: 1) очевидно, звёзды являются источниками излучения света; 2) испускаемый свет — это равномерная (в одинаковых пропорциях) комбинация всех цветов. Если смешать все видимые цвета, вы получите белый (это работает только светом). В зависимости от движения источника, происходит увеличение или уменьшение частоты испускаемого им света. Мы видим это как изменение цвета, потому что соответственно меняется длина волны. Вспомните пример с лодкой. Доплер полагал, что при смещении, некоторые цветовые компоненты как бы «выходят» из видимого спектра, а оставшаяся комбинация определяет цвет звезды.

Позднее выяснилось, что в его теории есть неточности, связанные с тем, что в то время человечество не обладало достаточными знаниями о природе света.

Главной ошибкой Доплера было то, что он считал, что все звёзды испускают белый свет. Он не знал о существовании инфракрасного и ультрафиолетового излучений, куда собственно должны были «уходить» цветовые компоненты. Тем не менее, общие суждения об изменении длины волны при движении источника излучения были верны.

Согласно простейшей модели строения атома Бора, электроны находятся на чётко определённых орбитах вокруг ядра атома (Планетарная система атома). При этом, они могут скачками переходить с орбиты на орбиту, излучая или поглощая энергию, и это явление называется квантовым скачком. Если электрон переходит на более низкую орбиту, он теряет квант энергии и излучает квант света — фотон, который характеризуется строго определённой длиной волны, зависящей от потери энергии при квантовом скачке. Излучаемые таким образом фотоны мы воспринимаем, как свечение совершенно определённого цвета — раскалённая медная проволока, например, светится синим. Это означает, что верно и обратное, если мы видим, например, синее свечение при разогреве металла, скорее всего, это медь. Изучением подобных взаимосвязей между свечением атома и его структурой занимается раздел физики под название «спектроскопия».

Теперь представьте себе, что вы наблюдаете в телескоп за раскалённой проволокой в космосе и она светится синим цветом. Вы опять же можете сказать, что она медная. Именно такой принцип лежит в основе спектрального анализа далёких звёзд. Только необходимо отметить, что звёзды состоят не из меди, а из гелия и водорода.

Американский астроном Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, обнаружил, что спектральный анализ далёких звёзд отличается от аналогичных звёзд поблизости. Причём цвета были смещены в красную область. Единственным объяснением этого явления мог быть эффект Доплера. То есть свет, исходящий от более далёкой звезды в направлении Земли имел большую длину, то есть был более красным. Подобное «покраснение», то есть красное смещение наблюдалось по отношению ко всем видимым звёздам.

Это привело Хаббла к идее, что все звёзды отдаляются друг от друга. Причём, чем дальше находится звезда, тем быстрее она отдаляется. Астроном смог вывести элегантную математическую модель этого расширения.

Именно закон Хаббла, а точнее его прямое следствие лежит в основе умопомрачительной идеи о расширении Вселенной. Ведь если «отмотать» время назад, то звёзды находились ближе друг к другу. Продолжая «отматывать» время, в конце концов мы получим следующую картину: в начале времён все звёзды находились в одном месте, в одной точке. И это было зарождением нашей Вселенной.

Сегодня Теория Большого взрыва — самая логичная модель появления Вселенной и обосновать её ученые смогли именно благодаря эффекту Доплера.