Ντόπλερ, φαινόμενο

Στη φυσική, είναι η μεταβολή της μετρούμενης συχνότητας μιας κυματικής διαταραχής, όταν η πηγή του κύματος και ο παρατηρητής κινούνται το ένα ως προς το άλλο. Προφανώς η συχνότητα του κύματος που αντιλαμβάνεται ο παρατηρητής δεν είναι ίδια με αυτή της πηγής. Ονομάστηκε έτσι από τον Αυστριακό φυσικό Κρίστιαν Ντόπλερ (Σάλτσμπουργκ 1803 – Βενετία 1854), ο οποίος το επεσήμανε πρώτος σε κύματα φωτός, το 1842. Ακουστική. Στην περίπτωση των ηχητικών κυμάτων, αν υποθέσουμε ότι η πηγή είναι ακίνητη ενώ ο παρατηρητής κινείται, είναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι το αυτί του παρατηρητή δέχεται στη μονάδα του χρόνου έναν αριθμό δονήσεων διαφορετικό από εκείνον που θα δεχόταν αν ήταν ακίνητος· πιο συγκεκριμένα: μεγαλύτερο αν πλησιάζει προς την πηγή, μικρότερο αν απομακρύνεται από αυτήν. Για τον παρατηρητή, η συχνότητα του κύματος θα είναι διαφορετική από εκείνη που θα αντιλαμβανόταν αν έμενε ακίνητος ως προς την πηγή, μεγαλύτερη ή μικρότερη, ανάλογα με την περίπτωση. Επειδή ένας ήχος είναι περισσότερο ή λιγότερο οξύς, όταν η συχνότητα του ηχητικού κύματος είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη, είναι αντιληπτό π.χ., γιατί το σφύριγμα ενός τρένου ακούγεται οξύτερο όταν το τρένο πλησιάζει, παρά όταν απομακρύνεται από τον παρατηρητή. Οπτική. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται και στη μετάδοση του φωτός· ο Ντόπλερ είχε διαπιστώσει το φαινόμενο και υποστήριξε ότι το χρώμα των αστέρων εξαρτάται από την κίνησή τους ως προς τη Γη. Ο Αρμάν – Φιζό (1819 – 1853) απέδειξε όμως το 1848 ότι ο ισχυρισμός του Ντόπλερ ήταν ανακριβής, γιατί, αφού η ταχύτητα των αστέρων (μερικές εκατοντάδες χλμ. /δευτ.) είναι ελάχιστη ως προς την ταχύτητα του φωτός (περίπου 300.000 χλμ. /δευτ.), η μεταβολή του χρώματος των αστέρων είναι τόσο ασθενής, ώστε δεν γίνεται αντιληπτή με την άμεση παρατήρηση - ο Φιζό αντίθετα ερμήνευσε το φαινόμενο (φ.Ν. - Φιζό) ως μετατόπιση των γραμμών του φάσματος των αστέρων προς μικρότερα (προς το ιώδες) ή μεγαλύτερα (προς το ερυθρό) μήκη κύματος ανάλογα με το αν η πηγή του φωτός (άστρο) πλησιάζει ή απομακρύνεται –αντίστοιχα– από τον παρατηρητή, κατά τον άξονα άστρου-παρατηρητή. Από τη μέτρηση της μετατόπισης είναι δυνατό να υπολογιστεί μόνο η ακτινική συνιστώσα της ταχύτητας του αστέρα, η οποία συμπίπτει με την πραγματική ταχύτητα όταν ο άξονας της κίνησης κείται πάνω στην οπτική ακτίνα. Η πειραματική επιβεβαίωση του φ.Ν. – Φιζό έγινε πολλά χρόνια αργότερα, αρχικά από τον Ερνστ Μαχ και κατόπιν από τον Μπιελοπόλσκι. Οι εφαρμογές του στην αστροφυσική και σε άλλους τομείς είναι πολυάριθμες: η ανακάλυψη των διπλών αστέρων (διχασμός των φασματικών γραμμών)· η απόδειξη –που οφείλεται στον Αμερικανό αστρονόμο Τζέιμς Έντουαρντ Κέλερ (1857 – 1900)– του γεγονότος, ότι κάθε τμήμα του δακτυλίου του Κρόνου στρέφεται με την ταχύτητα ενός μεμονωμένου δορυφόρου, τοποθετημένου στην αυτή απόσταση· ο διαχωρισμός των φασματικών γραμμών της Γης από τις φασματικές γραμμές του Ήλιου, έργο του Γάλλου φυσικού Μαρί -Αλφρέ Κορνί (1841 – 1902), ο οποίος μελέτησε τις φασματικές γραμμές του ηλιακού στέμματος. Εξάλλου ο Γιοχάνες Σταρκ διαπίστωσε μια μετατόπιση των γραμμών του φάσματος των διαυλικών ακτίνων, οι οποίες κινούνται με μεγάλη ταχύτητα και ο Τζον Γουίλιαμ Ρέιλι ερμήνευσε με το φ.Ν. τη διεύρυνση των φασματικών γραμμών που παρατηρείται με την αύξηση της θερμοκρασίας και επομένως της ταχύτητας της μοριακής κίνησης. Το φ.Ν. αξιοποιείται επίσης στα ραντάρ επισήμανσης: με τη μέτρηση της διαφοράς μεταξύ της συχνότητας εκπομπής και ανάκλασης είναι δυνατός ο υπολογισμός της ταχύτητας του παρατηρούμενου αντικειμένου, γεγονός που αξιοποιούν οι τροχονόμοι για την μέτρηση της ταχύτητας των αυτοκινήτων. Το φ.Ν. παρατηρείται επίσης, κατά τρόπο ανάλογο, στην περίπτωση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, η ερμηνεία του όμως είναι πολυπλοκότερη και απαιτεί τη χρήση της θεωρίας της σχετικότητας. Εξάλλου, στην περίπτωση π.χ. των φωτεινών κυμάτων, το φ.Ν. παρατηρείται μόνο με φασματοσκοπικές μεθόδους, που συνίστανται ουσιαστικά στο διαχωρισμό της φωτεινής ακτίνας στις μονοχρωματικές συνιστώσες της (δεδομένης δηλαδή συχνότητας) και στη μελέτη των αντίστοιχων εντάσεων. Από τις ποσοτικές μετρήσεις της μετατόπισης της συχνότητας, που οφείλεται στο φ.Ν., είναι δυνατός ο υπολογισμός της ταχύτητας της πηγής του κύματος. Στην αστρονομία, με το φαινόμενο Ντόπλερ ερμηνεύεται ο διχασμός των φασματικών γραμμών των διπλών αστέρων. Στη σχηματική παράσταση αριστερά, παριστάνονται οι δύο διαφορετικές θέσεις που παρουσιάζονται στον παρατηρητή. Στην περίπτωση 1, οι δύο συνιστώσες έχουν ταχύτητα μηδέν κατά τη διεύθυνση παρατήρησης και το φάσμα που παρατηρούμε είναι το κανονικό (πάνω δεξιά στην εικόνα). Στην περίπτωση 2, η μία από τις δύο συνιστώσες πλησιάζει προς τον παρατηρητή, ενώ η άλλη απομακρύνεται: η ακτινοβολία που παρατηρείται έχει μήκος κύματος διαφορετικό για τις δύο συνιστώσες, αντίστοιχα μικρότερο και μεγαλύτερο από το μήκος που παρατηρείται στην περίπτωση 1. Οι φασματικές γραμμές των δύο συνιστωσών εμφανίζονται διαχωρισμένες (κάτω δεξιά στην εικόνα) και σε συμμετρική διάταξη ως προς την κανονική θέση. Μετάδοση κυματοειδούς φαινόμενου από ακίνητη (1) και από πηγή που κινείται (2)? η δεύτερη περίπτωση μπορεί να δημιουργήσει φαινόμενο Ντόπλερ. Κάτω, μια εφαρμογή του φαινόμενου: τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα του εκπέμπονται από μια κεραία ραντάρ και ανακλώνται από ένα αεροπλάνο που κινείται ως προς την κεραία, συλλαμβάνονται από την ίδια κεραία με μεγαλύτερη συχνότητα αν το αεροπλάνο πλησιάζει και με μικρότερη αν αυτό απομακρύνεται. Η μέτρηση των μεταβολών αυτών της συχνότητας επιτρέπει να υπολογιστεί η ταχύτητα του αεροπλάνου.