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

نور تابش شده از کهکشان‌های دوردست، پس از رسیدن به ناظرِ زمینی، ضعیف‌تر از آن چیزی است که انتظار می‌رود. این موضوع به‌دلیل پدیده‌ی انتقال به سرخ و انبساط کیهان رخ می‌دهد. انتقال به سرخ را می‌توانیم به اثر دوپلر ربط دهیم، اما اصل دوپلر نسبیتی، نه کلاسیک.

فرمول اثر دوپلر را در سرعت‌های بسیار کمتر از سرعت نور (برای سرعت صوت) به‌دست آوردیم. اما فرمول به‌دست‌آمده در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور، تغییر می‌کند.

جهان ما در حال گسترش است و نقاط مختلف در فضا، دائماً از یکدیگر دور می‌شوند. این گسترش طبق چیزی به نام ثابت هابل (H0) اندازه‌گیری می‌شود. ثابت هابل به ما می‌گوید که هر دو نقطه در فضا به ازای هر مگاپارسک فاصله بینشان (که تقریباً ۳٫۲۶ میلیون سال نوری است)، با سرعتی حدود ۷۰ کیلومتربرثانیه از هم دور می‌شوند.

Forbes

در نگاه نخست، شاید سرعت ۷۰ کیلومتربرثانیه در مقیاس کیهانی بی‌اهمیت به نظر برسد، اما وقتی این سرعت در فواصل بی‌کران و عظیم جهان اعمال شود، نتایج شگفت‌انگیزی آشکار می‌گردد. با جمع شدن این برای سرعت فاصله‌های بسیار زیاد، نقاط مختلف فضا با سرعتی فزاینده از یکدیگر فاصله می‌گیرند.

این روند انبساط تا جایی ادامه پیدا می‌کند که سرعت جدایی نقاط به مرز سرعت‌های نسبیتی نزدیک می‌شود؛ جایی که قوانین شگفت‌انگیز نظریه‌ی نسبیت انیشتین وارد عمل می‌شوند. به‌زبان ساده‌تر، جهان نه‌تنها در حال گسترش است، بلکه این گسترش با سرعتی فراتر از تصور ما رخ می‌دهد، پدیده‌ای که ابعاد عظیم و پویای کیهان را به نمایش می‌گذارد.

امواج، انرژی هستند و انرژی باید پایسته باشد. اینجا به یک تناقض می‌رسیم. طبق اثر دوپلر، فرکانس امواج صوت یا نور با حرکت منبع موج، تغییر می‌کند. تغییر فرکانس به‌معنای تغییر انرژی است. آیا اصل پایستگی انرژی زیر سؤال می‌رود؟ نگران نباشید، قانون اول ترمودینامیک همچنان پابرجا است! این تغییر انرژی را می‌توان با تفاوت در حالت‌های انرژی بین چارچوب‌های مرجع (Reference Frames) توضیح داد.

اثر دوپلر یکی از پدیده‌های شگفت‌انگیز فیزیکی است که به‌دلیل رفتار منحصربه‌فرد امواج در محیط، رخ می‌دهد. برخلاف ذرات، امواج، مستقل از سرعت منبع انتشار خود حرکت می‌کنند. ویژگی‌های محیطی که موج در آن منتشر می‌شود، سرعت حرکت آن‌ را تعیین می‌کند. به عبارت ساده‌تر، فرقی نمی‌کند که منبع موج با چه سرعتی حرکت کند؛ امواج همیشه با سرعت ثابت و مشخصی که محیط اجازه می‌دهد، منتشر می‌شوند.

این ویژگی باعث می‌شود که در جهت حرکت منبع، امواج فشرده شوند (فرکانس بالاتر) و در جهت مخالف، کشیده شوند (فرکانس پایین‌تر). این فشردگی و کشیدگی که در نتیجه‌ی حرکت منبع نسبت به ناظر رخ می‌دهد، همان اثر دوپلر است. اگر شما در چارچوب مرجع منبع باشید (مانند کسی که در حال حرکت همراه با منبع است)، این تغییرات را احساس نمی‌کنید؛ زیرا حرکت شما، فشردگی و کشیدگی امواج را خنثی می‌کند.

طبق نظریه‌ی نسبیت اینشتین، نور در تمام چارچوب‌های مرجع با سرعت یکسانی حرکت می‌کند. تنها تفاوت نور بین دو چارچوب مرجع ، انرژی آن است. انرژی نور به طول موج آن بستگی دارد؛ یعنی اگر طول موج نور تغییر کند، انرژی آن هم تغییر می‌کند. بنابراین، تنها تفاوت نور در دو چارچوب مرجع مختلف، طول موج آن است.

نور یا فوتون‌ها در واقع برانگیختگی میدان الکترومغناطیسی هستند و به خودی خود هیچ ابعادی ندارند. کشیدن یک نقطه‌ی بدون بعد (کشیده شدن نور) معنایی ندارد. ازآنجاکه جرم سکون فوتون‌ها (نور) برابر صفر است، نور همواره باید با سرعتی زیاد حرکت کند؛ سرعتی برابر با c (سرعت نور در خلا).

در نتیجه، از نظر ریاضی، نور نمی‌تواند یک چارچوب مرجع خاص برای خودش داشته باشد. با این حال، با انتخاب یک چارچوب مرجع اختیاری برای نور، می‌توانیم حرکت آن را همراه با نوساناتش ترسیم کنیم. اینجا همان جایی است که مفهوم طول‌ موج وارد می‌شود.

طول‌ موج در واقع توصیفی از نور است، نه چیزی که نور به‌صورت فیزیکی داشته باشد. وقتی به نور از نظر طول‌ موج نگاه کنیم، می‌توانیم بگوییم که با انبساط فضا، طول‌‌موج نور کشیده شده است. به این ترتیب، انبساط فضا باعث تغییر در توصیف طول‌موج نور می‌شود، نه اینکه خود نور به‌صورت فیزیکی کشیده شود.

همان‌طور که اشاره کردیم، با افزایش سرعت و نزدیک شدن مقدار آن به سرعت نور، نسبیت وارد میدان می‌شود. اثر دوپلر نسبیتی ترکیبی از دو پدیده است: اثر دوپلر کلاسیک و تأثیرات ناشی از نسبیت خاص.

اثر دوپلر در دنیای نسبیتی، با آنچه در پدیده‌های روزمره‌ می‌بینیم، تفاوت‌های جالبی دارد. وقتی حرکت منبع یا ناظر به سرعت‌های نزدیک به سرعت نور (سرعت نسبیتی) می‌رسد، دیگر نمی‌توانیم با همان قوانین ساده‌ی فیزیک کلاسیک، اثر دوپلر را توضیح دهیم. در این شرایط، نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین وارد میدان می‌شود و پیچیدگی‌های جدیدی را به داستان اضافه می‌کند.

در سرعت‌های نسبیتی، علاوه بر تغییر در فرکانس و طول‌موج نور، یک اثر دیگر هم رخ می‌دهد: زمان برای ناظران مختلف، به‌گونه‌ای متفاوت تجربه می‌شود. به این مفهوم «اتساع زمان» گفته می‌شود. این یعنی ناظری که در حال حرکت است، گذر زمان را نسبت به ناظری که ثابت است، کندتر تجربه می‌کند. این تغییر زمان، بر فرکانس نوری که ناظر دریافت می‌کند، تأثیر می‌گذارد.