Эффект Доплера. Закон звуковых волн
Все слышали, как снижается тон сирены «скорой помощи», когда машина проносится мимо. Волны, исходящие от источника, который движется к нам, словно сминаются, и потому нам кажется, что частота их возрастает. Волнам, которые распространяются от удаляющегося источника, нужно больше времени, чтобы добраться до нас, что приводит к падению их частоты. Это и есть эффект Доплера. Его используют для измерения скорости машин, кровотока и движения звезд и галактик во вселенной.
Когда «скорая помощь» проносится мимо по улице, тон ее воющей сирены меняется — с высокого при приближении до низкого при удалении. Это изменение тона называется «эффектом Доплера». Оно было впервые описано в 1842 году австрийским физиком и математиком Кристианом Доплером, возникает же оно вследствие движения издающей звук машины относительно наблюдателя.
При приближении машины звуковые волны нагоняют одна другую, расстояние между волновыми фронтами сокращается и тон звука растет. А при ее удалении волновым фронтам требуется чуть больше времени, чтобы достичь вас, интервалы между ними возрастают, а тон падает. Звуковые волны — это пульсации, уплотняющие и разряжающие воздух.
Туда-сюда
Представьте себе, что кто-то, стоящий на движущейся платформе или в двери поезда, бросает в вас мячи с частотой один мяч каждые три секунды, которые этот человек отсчитывает по своим наручным часам. Если он приближается к вам, мячи вы будете получать чуть чаще, чем один за три секунды, потому что каждому следующему придется пролетать, чтобы попасть к вам, расстояние несколько меньшее. Поэтому частота их появления покажется вам, ловцу мячей, увеличившейся. Подобным же образом, когда платформа начнет удаляться от вас, каждому следующему мячу придется пролетать расстояние несколько большее, чем предыдущему, отчего частота их появления понизится. Если бы вам удалось измерить этот сдвиг во времени по вашим часам, вы смогли бы определить скорость движения платформы. Эффект Доплера применим к любым движущимся относительно друг друга телам. Он был бы тем же самым, если бы в поезде ехали вы, а метатель мячей стоял на неподвижной платформе. Как средство измерения скорости, этот эффект имеет множество применений. Он используется в медицине для измерения кровотока, и на нем же основано устройство радаров дорожной полиции, позволяющих ей выявлять превышающих скорость водителей.
«Возможно, когда обитатели других планет ловят какие-то из наших волн, они слышат только одно — непрестанный вопль» Айрис Мёрдок, 1919-1999
Движение в космосе
Эффект Доплера часто используется и в астрономии для поисков движущегося вещества. Например, в свете, поступающем от планеты, которая вращается вокруг удаленной звезды, должны присутствовать доплеровские смещения. Когда планета движется в нашу сторону, частота ее света возрастает, когда уходит от нас — падает. О свете, который поступает от приближающейся планеты, говорят, что он испытывает «синее смещение», о свете удаляющейся планеты — «красное». Начиная с 1990-х были обнаружены сотни планет, вращающихся вокруг удаленных звезд, — именно в те годы астрономы научились отыскивать в свете центрального светила следы присутствия планет.
Красное смещение может возникать не только у вращающихся по своим орбитам планет, но и как следствие расширения самой вселенной, — такое красное смещение называется «космологическим». Если в результате расширения вселенной расстояние между нами и далекой галактикой неуклонно возрастает, это аналогично тому, что она с некоторой скоростью улетает от нас. Подобным же образом две точки, нанесенные на надуваемый воздушный шарик, удаляются одна от другой.
В результате свет, излучаемый галактикой, смещается к более низким частотам, поскольку его волны вынуждены проходить, чтобы добраться до нас, все большие и большие расстояния. Строго говоря, космологическое красное смещение не является истинно доплеровским эффектом, поскольку удаляющаяся от нас галактика не движется относительно каких бы то ни было близких к ней тел. Окружение галактики остается фиксированным, на самом деле происходит растяжение пространства между ней и нами.
Доплер, надо отдать ему должное, понимал, какую пользу его открытие может принести астрономам, однако и он не мог предвидеть все обилие следствий, проистекающих из открытого им эффекта. Он сообщил, что увидел его в свете, поступающем от двойной звезды, но в его время и это подвергалось сомнению. Как ученый Доплер обладал воображением и творческими способностями, однако энтузиазм его порою брал верх над присущим ему мастерством экспериментатора. Впрочем, десятилетия спустя красное смещение галактик было измерено астрономом Весто Слайфером, что и заложило основу для развития модели Большого взрыва, вследствие которого возникла вселенная. Эффект Доплера и поныне позволяет открывать вокруг далеких звезд миры, в которых возможно существование жизни.
Кристиан Доплер, 1803-1853
Кристиан Доплер родился в Зальцбурге, Австрия, в семье каменщиков. Поскольку слабое здоровье не позволяло ему заниматься семейным делом, он поступил в Венский университет, где изучал математику, философию и астрономию. Прежде чем получить место в Пражском университете, Доплер вынужден был работать бухгалтером и даже подумывал об эмиграции в Америку. Однако и став профессором, Доплер изнемогал под бременем преподавания, и здоровье его ухудшалось. Один из его друзей писал: «Трудно поверить, какого гения получила Австрия в лице этого человека. Я писал... ко множеству людей, которые могли бы спасти Доплера для науки, не дать ему умереть под ярмом. К несчастью, приходится ожидать худшего». В конце концов Доплер покинул Прагу и возвратился в Вену. В 1842 году он опубликовал статью, описывавшую цветовое смещение в излучении звезд, — то, что мы теперь называем «эффектом Доплера».
«Можно почти с определенностью сказать, что в не столь уж и далеком будущем это даст астрономам приятную возможность определять движение звезд и расстояния до них, то есть производить измерения, на которые — вследствие огромной удаленности звезд от нас и малости параллактических углов — до сей поры никаких надежд не существовало».
Статья эта, хоть все и признавали силу творческого воображения ее автора, получила от выдающихся ученых того времени оценки самые разные. Хулители Доплера ставили под сомнение его математические способности, тогда как друзья очень высоко оценивали творческие способности и интуицию.
Экзопланеты
К настоящему времени открыто больше 200 планет, вращающихся вокруг далеких звезд. В большинстве своем это газовые гиганты, подобные Юпитеру, однако орбиты их расположены гораздо ближе к центральной звезде. Впрочем, существует, возможно, и несколько твердых планет, похожих на нашу Землю. Планеты имеются примерно у каждой десятой звезды, и это дает пищу для рассуждений о том, что, возможно, на некоторых из них могут существовать и какие-то формы жизни. Подавляющее большинство планет было обнаружено посредством наблюдения их гравитационного воздействия на звезды, вокруг которых они вращаются. В сравнении с этими звездами планеты очень малы, и увидеть их на фоне свечения звезд затруднительно. Однако масса планеты слегка раскачивает ее звезду, и это качание можно наблюдать как доплеровское смещение в характерном для звезды спектре.
Первые две экзопланеты были открыты у пульсара (1992) и у обычной звезды (1995). Ныне их обнаружение стало рутинным процессом, однако астрономы все еще ищут солнечные системы, подобные нашей, и пытаются понять, как возникают различные планетарные конфигурации. Ожидается, что новые космические обсерватории, а именно запущенный в 2006 году в космос европейский телескоп COROT и принадлежащий НАСА (запущен в 2008-м) «Кеплер», позволят в ближайшем будущем обнаружить немало планет, подобных Земле.