Przejdź do głównej zawartości

Christian Doppler: O barwnym świetle gwiazd podwójnych (1842)

 Efekt Dopplera: zmiana rejestrowanej częstości fali, gdy źródło porusza się względem odbiornika, ma niezliczone zastosowania: od medycyny przez techniki radarowe po astronomię. Pozwala mierzyć prędkość przepływu krwi u człowieka, samochodów na drodze, samolotów w powietrzu i prędkości oddalania się bądź przybliżania obiektów kosmicznych – dzięki niemu Vesto Melvin Slipher odkrył, że mgławice spiralne oddalają się od nas, wszechświat się rozszerza

25 maja 1842 roku w Pradze na zebraniu Królewskiego Czeskiego Towarzystwa Naukowego wygłosił swój odczyt Christian Doppler, profesor matematyki miejscowej politechniki. Zebraniu przewodniczył Bernard Bolzano, jeden z pionierów ścisłego podejścia do analizy matematycznej (tw. Bolzana-Weierstrassa), a do tego ksiądz katolicki o rewolucyjnych sympatiach politycznych. W zebraniu Sekcji Przyrodniczej Towarzystwa wzięło wtedy udział oprócz prelegenta tylko sześciu słuchaczy. 


Bernard Bolzano w 1848 r.



 


Christian Doppler w 1840 r.

Doppler przedstawił wtedy bardzo prostą ideę dotyczącą fal: gdy źródło się porusza, długość fali rejestrowana przez nieruchomego obserwatora będzie zależna od kierunku ruchu źródła. Długość fali to odległość między kolejnymi grzbietami. Gdy źródło porusza się, kolejne grzbiety fali kulistej stają się ciągiem sfer o różnych środkach. Długość fali rejestrowana przez obserwatora O2 (źródło się zbliża) będzie mniejsza, a rejestrowana przez obserwatora O1 (źródło się oddala) – większa niż emitowana przez spoczywające źródło. Na rysunku widzimy grzbiety fali w pewnej określonej chwili. Położenia źródła we (wcześniejszych) chwilach emisji tych grzbietów fali oznaczone są S1, S2, S3.
Efekt Dopplera jest czysto kinematyczny, nie zależy od rodzaju fal, z którymi mamy do czynienia. Jego wielkość zależy od tego, jaka jest odległość S1S2 w porównaniu z długością fali, inaczej mówiąc, zależy od stosunku prędkości źródła do prędkości fali. Profesor z Pragi sądził, że prędkości gwiazd mogą być na tyle duże w porównaniu do prędkości światła, że barwa gwiazdy zbliżającej się do nas może z zółtej stać się niebieska, a gwiazdy oddalającej się z żółtej może stać się czerwona. Wiadomo było, że obserwuje się pary gwiazd o różnych barwach. Ponieważ w parze takiej składniki powinny krążyć wokół wspólnego środka masy, możliwe było, że jeden z nich się do nas zbliża, a drugi oddala. Doppler był matematykiem i nie bardzo sobie zdawał sprawę z możliwych prędkości gwiazd. Pomysł pod tym względem był nietrafiony, lecz sam efekt był rzeczywisty, choć zwykle jest niewielki. 

Najłatwiej wykryć ten efekt w przypadku fal akustycznych. Młody Holender, Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot, użył do zbadania sprawy świeżo oddanej do użytku linii kolejowej Amsterdam-Utrecht. Do wytwarzania dźwięku służyli muzycy na platformie wagonu, a osiągana prędkość sięgała 40 mil na godzinę. Obserwatorzy stojący obok torów słyszeli dźwięk o pół tonu wyższy bądź niższy w zależności od tego, czy platforma się do nich zbliżała, czy oddalała. Podobny efekt zaobserwował spostrzegawczy brytyjski inżynier John Scott Russell, o czym doniósł Brytyjskiemu Towarzystwu Krzewienia Nauk w roku 1848. Russell nie znał pracy Dopplera, a jego spostrzegawczości zawdzięczamy też odkrycie pierwszej nieliniowej fali w kanale – solitonu. W 1848 roku efekt Dopplera zbadał także Hyppolyte Fizeau, który opierał się na pracy Russella i Buysa Ballota oraz własnych pomysłowych doświadczeniach z falami dźwiękowymi. Praca Fizeau została w całości opublikowana dopiero w roku 1870. 

Wydawałoby się, że mamy do czynienia z bardzo prostą sytuacją: efekt został przewidziany teoretycznie, a wkrótce potem zaobserwowany w przypadku akustycznym. Pozostawał jedynie do zbadania przypadek optyczny, leżacy jednak poza możliwościami eksperymentu w połowie XIX wieku. Nawet prędkości astronomiczne rzędu kilometrów na sekundę nie wystarczały do zmierzenia niewielkiej zmiany długości fali. Trzeba w tym celu umieć zaznaczyć jakoś konkretną długość fali, by następnie zmierzyć ewentualnie jej przesunięcie. Można użyć w tym celu ciemnych linii występujących w widmie Słońca. Odkryli je niezależnie od siebie William Hyde Wollaston (1802) oraz Joseph von Fraunhofer (1814). Pierwszy był lekarzem z zawodu, odkrywcą palladu i rodu, konstruktorem nowego rodzaju ogniwa elektrycznego. Drugi był optykiem, budowniczym znakomitych teleskopów, nie miał jednak wykształcenia formalnego i jego badania widma Słońca pozostały mało znaną ciekawostką. Fraunhofer stosował ciemne linie w widmie Słońca jako naturalne znaczniki długości fali. Mógł dzięki nim badać zależność współczynników załamania różnych rodzajów szkła od długości fali – konstrukcja obiektywu achromatycznego, który załamuje jednakowo światło o różnych barwach, wymaga bowiem zestawienia przynajmniej dwóch różnych materiałów. Ciąg dalszy badań widmowych nastąpił dopiero w roku 1859, gdy chemik Robert Bunsen zaczął współpracować z fizykiem Robertem Kirchhoffem. Odkryli oni, że każdy pierwiastek wysyła charakterystyczne długości fali, przyroda zaopatrzyła więc nas niejako w katalogi różnych linii widmowych. Skonstruowali oni także spektroskop, należało jeszcze tylko nauczyć się dokładnie mierzyć niewielkie przesunięcia linii widmowych. Udało się to dopiero w  latach siedemdziesiątych XIX wieku, gdy Hermann Carl Vogel i Wilhelm Oswald Lohse zmierzyli przesunięcie linii widmowych wywołane obrotem Słońca wokół osi, a następnie prędkości radialne różnych gwiazd. Vogel wykrył gwiazdy podwójne spektroskopowe, w których obserwuje się okresowe przesunięcia linii widmowych wywołane ruchem orbitalnym. Nie są to zmiany barwy, jakich spodziewał się Doppler, lecz niewielkie przesunięcia.

Christian Doppler w późniejszych latach pracował w Wiedniu (uczył tam m.in. Gregora Mendla, pioniera genetyki) i wrócił jeszcze do badań teoretycznych swojego efektu. Zauważył m.in., że jeśli źródło porusza się szybciej niż fala w danym ośrodku, powstanie fala uderzeniowa o stożkowym kształcie.


Falę taką, wytworzoną przez lecący w powietrzu pocisk, sfotografował w roku 1888 Ernst Mach, ojciec chrzestny Wolfganga Pauliego i ważny krytyk mechaniki newtonowskiej, torujący myślowo drogę Einsteinowi. Istnieje optyczny odpowiednik tego zjawiska, promieniowanie Czerenkowa, wysyłane przez cząstkę poruszającą się szybciej niż światło w danym ośrodku (a więc np. 0,75 c w wodzie).




Praca Dopplera spotkała się w Wiedniu z ostrą krytyką kolegi z uniwersytetu, Josefa Petzvala. Twierdził on, że bez zastosowania równań różniczkowych nie sposób odkryć w fizyce niczego nowego i nie dawał się przekonać wynikom eksperymentów akustycznych. Zatruło to ostatnie lata życia uczonego, który cierpiał coraz poważniej na płuca i w roku 1853 zmarł w Wenecji. Widzimy go na dagerotypach z lat czterdziestych, a więc z okresu odkrycia efektu nazwanego jego imieniem.




Komentarze

Popularne posty z tego bloga

Hans Christian Oersted (Ørsted) - Odkrycie elektromagnetyzmu (1820)

Wielkie odkrycia zazwyczaj są zaskakujące, choć niekoniecznie całkiem niespodziewane. Jeszcze w XVIII wieku uporządkowano, jak się wydawało, zjawiska elektryczne, tzn. elektrostatyczne, oraz magnetyczne. Były to dwie różne siły, do obu stosować się miało prawo Coulomba: siła oddziaływania między ładunkami (biegunami magnetycznymi) jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Ładunki (bieguny) jednoimienne się odpychają, różnoimienne - przyciągają. Magnetyzm różni się od elektryczności m.in. tym, że bieguny magnetyczne występują zawsze w różnoimiennych parach. Matematycznie prawo Coulomba przypominało Newtonowskie prawo powszechnego ciążenia, co sprawiało, że fizykom mogło się wydawać, iż coś głębokiego zrozumieli. W istocie prawo Coulomba dla biegunów magnetycznych jest tylko grubym przybliżeniem, ponieważ nie ma w przyrodzie niczego takiego jak punktowe bieguny magnetyczne (w odróżnieniu od punktowych ładunków, które naprawdę istnieją, np. elektron czy kwarki).  W

Grigorij Perelman, matematyk ze świata równoległego

  Perelman stał się sławny, gdy udowodnił hipotezę Poincarégo, rozstrzygając w ten sposób jeden z najtrudniejszych problemów matematyki. Wprawił następnie w zdumienie media całego świata, nie tylko odmawiając medalu Fieldsa, matematycznego Nobla, ale także nie przyjmując wartej milion dolarów Nagrody Milenijnej za hipotezę Poincarégo. W świecie skoncentrowanym na pogoni za pieniędzmi, gdzie zawsze znajdą się ludzie gotowi zrobić dosłownie wszystko za znacznie mniejsze pieniądze, taki gest wydaje się kompletnie niezrozumiały, podważa sens istnienia tych wszystkich spoconych mężczyzn i kobiet rozmyślających nocami, jak by tu zarobić pierwszy milion. Tym bardziej, że nie chodzi o jakiegoś zamożnego profesora, który prowadzi życie spokojne i wolne od codziennych trosk, lecz o outsidera, żyjącego w petersburskim blokowisku, który sam zrezygnował z wszelkich kontaktów ze światem naukowym, dokonał rzec można intelektualnego samobójstwa, rezygnując ze wszystkich dobrodziejstw ziemskiego raju d

Albert Einstein: Czy Europa okazała się sukcesem? (1934)

 Żyjemy w dziwnych czasach. Być może przyszły historyk Polski napisze: „W latach 2015-2025 Polska stała się jednym z państw buforowych między Rosją a Europą, politycznie zależnym od Rosji przy pozorach niezawisłości i antyrosyjskiej retoryce mediów rządowych. Praktyka rządzenia zbliżyła kraj do innych państw buforowych: Ukrainy, Mołdawii, Białorusi”. Albert Einstein miał dystans do własnej osoby, z pewnością nie był jednak „dużym dzieckiem” ani w nauce, ani w polityce. W roku 1934 redakcja amerykańskiego pisma „The Nation” zwróciła się do niego z prośbą o wypowiedź na temat Europy. Uczony czuł się europejczykiem właściwie od początku, od czasów gimnazjalnych w Monachium. Już wtedy przeszkadzał mu niemiecki nacjonalizm, choć była to jego stosunkowo łagodna wersja z czasów Drugiej Rzeszy. Mieszkał we Włoszech, w Szwajcarii, w Austro-Węgrzech, potem znowu w Niemczech. Jeździł stale do Austrii, do Francji, do Belgii, do Holandii. Zawsze opowiadał się za tym, co stanowi najważniejszy wkład