Эффект Доплера в оптике
Длина волны или частота наблюдаемого света может не совпадать с соответствующими длинами волн или частотами света, излучаемого атомом. Точнее, воспринимаемая частота или длина волны зависит не только от внутриатомных процессов, их обусловливающих, но также и от той системы координат, с которой связаны наблюдающие аппараты. Частота волнового процесса будет различной, если её оценивать с помощью аппаратов, неподвижных относительно источника или движущихся по отношению к нему.
Это замечание впервые было сделано Допплером (1842 г.), который указал, что воспринимаемая частота становится больше при сближении источника и приёмного прибора и меньше при их удалении друг от друга. Называется как «Эффект Доплера в оптике«.
Рассуждения Допплера применимы ко всем волновым явлениям — оптическим, акустическим и иным.
Впервые надёжное экспериментальное установление оптического явления Допплера и наиболее плодотворные его применения были сделаны при наблюдении астрономических явлений.
Известно, что световые волны могут распространяться в пространстве, не заполненном никаким известным нам веществом (в вакууме).
Опытами было показано, что малое различие, ожидаемое в рамках представления о распространении световых волн в неподвижном эфире, не имеет смысла. Все без исключения процессы протекают таким образом, что играет роль только относительное движение источников и приборов по отношению друг к другу, и понятие абсолютного движения в вакууме не имеет смысла (принцип относительности). Поэтому и формулы, описывающие явление Допплера, не должны отличаться друг от друга потому что иначе мы имели бы и в этом явлении принципиальную возможность констатировать абсолютное движение системы в вакууме, что противоречит принципу относительности. Если при выводе формул для расчета явления Допплера принять во внимание основные постулаты и следствия теории относительности, то мы получим (движение источника и движение прибора) результат, а именно:
Экспериментальное подтверждение принципа Допплера было получено прежде всего в астрономических измерениях. После того как было установлено, что следует ожидать сравнительно небольших изменений в частоте спектральных линий звёзд, были предприняты многочисленные наблюдения такого рода.
Эти наблюдения используются для определения слагающей скорости звезды вдоль линии, соединяющей звезду и Землю (лучевая скорость звёзд), в предположении о правильности принципа Допплера. В настоящее время такие измерения доведены до большой степени точности (с точностью до 1км/с) и служат почти единственным методом исследования лучевых скоростей космических тел. Благодаря явлению Допплера были открыты двойные звёзды, столь удалённые, что разрешение их посредством телескопов оказывается невозможным.
Первые лабораторные исследования оптического явления Допплера принадлежат А. А. Белопольскому (1900 г.); его опыты были позже повторены Б. Б. Голицыным (1907 г.). Белопольский увеличил скорость движения источника, использовав многократное отражение от движущихся зеркал. Прибор Белопольского позволяет значительно повышать скорость наблюдаемого источника, которым является п-е изображение действительного источника.
Рис. 9.9. Схема прибора моторами
В приборе Белопольского (рис. 9.9) зеркала представляют собой радиальные лопасти двух колёс (подобных пароходным), приводимым во вращение Окончательная скорость п-го изображения ω была около 500 м/с (в опытах Белопольского 0,67 км/с; у Голицына от 0,25 до 0,35 км/с). Спектральным прибором для наблюдения смещения служил у Белопольского трёхпризменный спектрограф, у Голицына — эшелон Майкельсона.
В последствии Фабри и Бюиссон (1919 г.) произвели подобные измерения более простым способом, использовав большую разрешающую силу интерференционного спектрографа.
Штарк наблюдал смещение спектральных линий, пользуясь в качестве источника света быстро несущимися светящимися атомами в каналовых лучах. Из этих опытов можно, пользуясь принципом Допплера, определить скорость каналовых лучей.
Во всех газовых источниках света мы имеем дело со светящимися атомами газа, летящими с довольно большими скоростями по всем направлениям. Вследствие допплеровского смещения спектральные линии оказываются расширенными. При значительном разрежении газа, когда столкновения между светящимися атомами и окружающими частицами сравнительно редки, явление Допплера служит главной причиной, определяющей ширину спектральной линии. Наблюдение уширения спектральных линий в указанных условиях также является подтверждением эффекта Допплера.