Doplerov efekat je veoma važna pojava u fizici, koja je veoma zanimljiva i važna i astronomima. Reč je o tome da frekvencija mehaničkog ili elektromagnetnog talasa ima drukčiju vrednost koju zapaža prijemnik u odnosu na vrednost koju emituje predajnik, ako se se izvor i prijemnik kreću jedan u odnosu na drugog.

O čemu je zapravo reč? Zvuk, odnosno zvučni talasi, tipičan su predstavnik mehaničkih talasa i na njihovom primeru posmatraćemo šta se dešava kada izvor zvuka miruje i kada se kreće u odnosu na nas, posmatrače.

Ako izvor zvuka miruje u odnosu na prijemnik (»nas«), možemo primetiti da se ne menja jačina zvuka koji slušamo: mi, kao prijemnik, mirujemo u odnosu na izvor, i nema načina da se jačina menja. Međutim, daleko je važnije posmatrati frekvenciju, odnosno – u slučaju zvučnih talasa – visinu tona: kada izvor miruje, visina tona se ne menja (kao što se ni jačina zvuka ne menja).

Ali, ako se predajnik ili prijemnik (»mi«) kreće, menjaće se i visina tona koji čujemo. Kada se izvor približuje prijemniku, visina zvuka će se povećavati. Kada se izvor udaljuje od prijemnika, visina zvuka će se smanjivati. Ova opisana pojava predstavlja zapravo sam Doplerov efekat.

Pogledajte i oslušnite filmiće Janka Mravika. Prvi predstavlja automobil koji miruje, pri čemu je vozač pritisnuo dugme za sirenu, pa auto »trubi«. Uočićete da se visina tona ne menja. Međutim, obratite pažnju na drugu animaciju. Automobil koji se kreće prolazi pored kamermana, trubeći. Možete primetiti da kada se automobil približuje, da se tada visina tona automobilske sirene povećava, a kada počne da se udaljuje, visina tona se smanjuje.

Ova pojava je od velike važnosti za astrofiziku, i biće detaljnije predstavljena u »Astronomiji 32«. Ukratko možemo pomenuti da se u spektrima zvezda javljaju useci, crne trake, na određenim frekvencijama, zato što atomi u zvezdama apsorbuju elektromagnetno zračenje na tim frekvencijama. Time se može odrediti i hemijski sastav nebeskog tela. Međutim, usled Doplerovog efekta, useci u apsorpcionim spektrima mogu biti pomereni ka crvenom delu spektra kada se telo udaljuje, i to nazivamo crvenim pomakom, ili ka plavom delu spektra kada se telo približuje – plavi pomak.

Pokazalo se da većina nebeskih tela ima izražen crveni pomak, što je prilično siguran indikator da se ta tela udaljuju od nas. Plavi pomak je zabeležen kod manjeg broja nebeskih objekata, i oni nam se približuju.

Na slici 3 prikazan je plavi pomak: izvor se približuje prijemniku i zbog toga prijemnik zapaža isti spektar, samo pomeren ka plavom delu. Asorpcione linije su izostavljene.

(Vrlo) kratak kurs elektromagnetizma

Elektromagnetne talase možemo opisno definisati kao prenošenje energije električnog i magnetnog polja kroz prostor. Talasi se u opštem slučaju mogu opisati pomoću više fizičkih veličina, ali ćemo se u ovom trenutku koncentrisati na samo tri: brzinu talasa, frekvenciju i talasnu dužinu.

Brzina talasa je vreme koje protekne dok elektromagnetni impuls pređe iz jedne tačke u drugu. U vakuumu ta brzina iznosi vrlo približno 300.000 kilometara u sekundi. Interesantno je da je to najveća moguća brzina u prirodi, i to bez obzira na to na koji način vi to merili: kretao se izvor, ili vi, ili vi dubeći na glavi ili vozeći raketu ili rolere, nikada nećete moći da izmerite veću brzinu. Obično se obeležava sa c.

Talasi su periodične pojave: nakon određenog perioda (tzv. osnovnog perioda) počnu da se periodično ponavljaju. To otprilike znači da, ako znamo ponašanje jednog talasa u okviru njegovog osnovnog perioda, onda znamo kako se taj talas ponaša u bilo kom vremenskom trenutku. Broj ponavljanja talasa u jednoj sekundi naziva se frekvencijom; ova važna fizička veličina često se obeležava grčkim slovom ν, a njena merna jedinica je Hz (herc). Da biste stekli predstavu o opsezima u kojima se mogu naći frekvencije, pomenuću da se kod zvuka, kao predstavnika mehaničkih talasa, opseg koji možemo čuti kreće od oko 20 herca do oko 20 kiloherca. Zvuk frekvencije 20 Hz odgovara najnižim tonovima koje možemo čuti, a zvuk od 20 KHz su najviši tonovi koje zapažamo. Kod elektromagnetnih talasa situacija je samo malo komplikovanija, i objasniću je kada objasnim pojam talasne dužine.

Talasna dužina je put koji talas pređe u toku jednog perioda. Obeležava se sa λ a merna jedinica je – najobičniji metar (talasna dužina jeste dužina!).

Između ove tri veličine postoji jednostavna veza, koja glasi λ × ν = c. Kako ovu jednačinu treba tumačiti? Budući da je kod elektromagnetnih talasa brzina konstantna (a to znači da je uvek znamo), sledi da je potpuno svejedno da li znamo talasnu dužinu ili frekvenciju: jednostavno, kada znam jednu veličinu, uvek mogu odrediti onu drugu. Važno je pomenuti da nije moguće promeniti frekvenciju talasa bez menjanja talasne dužine. I obrnuto.

Pogledajmo sada koje opsege elektromagnetni talasi mogu imati. Vidljiva svetlost je poseban, vrlo mali deo celog spektra elektromagnetnih talasa. Unutar opsega od oko 400 nanometara do oko 700 nanometara nalaze se sve boje sa svojim nijanasama (jedan nanometar je milijarditi deo metra). Talasna dužina od otprilike 400 nm odgovara ljubičastoj, a dužina od otprilike 700 nm odgovara crvenoj boji, a između se nalaze sve ostale boje. Svi slikari tokom cele istorije likovne umetnosti u suštini su samo kombinovali različite talasne dužine EM-talasa!

Možete li na osnovu talasnih dužina ljubičaste i crvene svetlosti odrediti njihove frekvencije?

Sve vidljive boje sadržane su u beloj Sunčevoj svetlosti. Prelamajući se kroz posebne optičke uređaje, tzv. staklene prizme, bela svetlost otkriva svoju pravu prirodu: to nije jedna boja, nego čitav skup boja različitih talasnih dužina. Ako nam prizme nisu pri ruci, isti efekat možemo uočiti posmatrajući razlaganje svetlosti u kiši: verovatno nema deteta koje se ne divi dugi posle kiše!

Mada vidljivu svetlost neposredno možemo videti, postoje elektromagnetni talasi koje opažamo nekim drugim čulima. Talase sa λ većim od 700 nm (do neke granice) nazivamo infracrvenim talasima; oni kod nas izazivaju osećaj toplote. Međutim, veliki deo celog spektra ne možemo nikako opaziti čulima.
 

slika 4: Spektar elektromagnetnih talasa

(Vrlo) kratak kurs fizike atoma

Prelamajući belu Sunčevu svetlost kroz staklene prizme, koristeći posebne uređaje za vrlo pažljivo analiziranje spektra Sunca, ustanovljeno je da u vidljivom delu spektra kao da postoje neki »useci«, tamne linije u koje ne pada nikakva svetlost. Bilo je potrebno da prođe mnogo vremena da bi ova zagonetka bila rešena.

Ispostavilo se da atomi kao čestice mogu da apsorbuju (»upiju«) svetlost, ali ne mogu da apsorbuju svetlost bilo koje talasne dužine. Uočeno je da atom jednog hemijskog elementa može da apsorbuje svetlost tačno određenih talasnih dužina.

Ovo otkriće imalo je veoma značajne posledice. Naime, šta znači činjenica da atom apsorbuje talase samo na striktno određenim talasnim dužinama? Ako neku složenu svetlost, kao što je Sunčeva, propustimo kroz neku sredinu u kojoj postoje neki atomi, ti atomi će jednostavno »pojesti« svetlost onih talasnih dužina koje mogu apsorbovati – i na tim će se mestima u spektru formirati useci, crne linije! Jednostavno, u spektru se javljaju crne linije, jer nema svetlosti, a svetlosti nema jer su je pojeli atomi.

Ova činjenica ima veoma veliku važnost sa stanovišta primene Doplerovog efekta. Naime, kako atomi različitih hemijskih elemenata apsorbuju elektromagnetne talase na različitim, tačno određenim talasnim dužinama, znači da svaki hemijski element ima različite useke-crne linije u svom spektru, na onim talasnim dužinama na kojima apsorbuje svetlost. Ovi useci se, dakle, mogu smatrati »otiscima prstiju« svakog hemijskog elementa, jer je na osnovu njih jednoznačno moguće utvrditi atomi kog hemijskog elementa su apsorbovali svetlost.

Post scriptum...

»Režiser« animacija je Janko Mravik, predsednik Astronomskog društva »Univerzum« iz Bačke Palanke, dvostruki pobednik Mesijeovog maratona, i samim tim i dvostruki sudija, uz to i moderator foruma Astronomskog magazina; izuzetan je astronom-praktičar. Autor mu se duboko zahvaljuje na tehničkoj podršci oko realizacije filmova.

Zahvaljujem se i kolegama i poznanicima, članovima Foruma Astronomskog magazina, na dobroj volji i idejama koje su izneli na Forumu: možda ovih tekstova ne bi ni bilo da ovu temu nismo proglasili »pravom stvari«.