Доплера эффект. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Доплера эффект - изменение частоты колебаний w или длины волны l, воспринимаемой наблюдателем при движении источника колебаний и наблюдателя друг относительно друга. Возникновение Д. э. проще всего объяснить на след. примере. Пусть неподвижный источник испускает последовательность импульсов с расстоянием между соседними импульсами (пространств. периодом) l₀, к-рые распространяются в однородной среде с пост. скоростью v, не испытывая никаких искажений (т. е. в линейной среде без дисперсии). Тогда неподвижный наблюдатель будет принимать последовательные импульсы через временной промежуток T₀=l₀/v. Если же источник движется в сторону наблюдателя со скоростью V, малой по сравнению со скоростью света в вакууме с (V<<c), то соседние импульсы оказываются разделёнными меньшим промежутком времени T=l/v, гдеl=l₀-VT₀. Если вместо импульсов рассматривать соседние максимумы поля в непрерывной гармонич. волне, то при Д. э. частота этой волны w = 2p/T₀, воспринимаемая наблюдателем, будет больше частоты w₀=2p/T₀, испускаемой источником:

При удалении источника от наблюдателя принимаемая частота уменьшается, что описывается той же ф-лой (1), но с изменённым в ней знаком скорости V. Для движений с произвольными по направлению скоростями в однородной среде Д. э. зависит от угла q между скоростью V и волновым вектором k волны, принимаемой наблюдателем. При наличии дисперсии и (или) анизотропии среды важно учитывать, что в ф-лу (1) входит не групповая, а фазовая скорость волнового возмущения. Для движения со скоростями V, сравнимыми со скоростью света в вакууме, следует, кроме того, принять во внимание эффект релятивистского замедления времени (см. Относительности теория ),описываемый фактором g=(1-b²) ^-1/2, где b = V/c. В результате ф-ла Д. э. примет вид:

Т. о., Доплера эффект имеет чисто кинематич. происхождение. С точки зрения теории относительности, Д. э. для плоских однородных волн вида А ехр iФ=A exp i(wt- kr) есть следствие инвариантности 4-cкаляра (фазы) Ф при релятивистских преобразованиях координат и времени (т. е. компонент 4-вектора {r, ct}). Др. словами, волновой вектор k и частота w ведут себя как компоненты единого 4-вектора {k, w/с}, что позволяет рассматривать Д. э. (преобразование частоты) и изменение направления k (релятивистские аберрации) как две стороны одного и того же явления. Соотношение (2) позволяет выяснить все основные физ. проявления Д. э. При q=0 или p наблюдается продольный Д. э., когда источник движется прямо на наблюдателя или от него и изменение частоты максимально. При q=p/2 имеет место поперечный Д. э., к-рый связан с чисто релятивистским эффектом замедления времени и не имеет никакой волновой специфики (в частности, не зависит от фазовой скорости волн v). В средах с дисперсией волн может возникнуть сложный Д. э. При этом фазовая скорость зависит от частоты: v=v(w), и соотношение (2) становится ур-нием относительно w, к-рое может допускать неск. действит. решений для заданных w₀ и v, т. е. под одним и тем же углом от монохроматич. источника в точку наблюдения могут приходить неск. волн с разл. частотами. Появление сложного Д. э. означает, что вследствие релятивистских аберраций две плоские волны, испущенные движущимся источником под разными углами, воспринимаются наблюдателем под одним и тем же углом.

Диаграммы направленностей покоящегося (а) и движущегося (б) диполей.

Дополнит. особенности возникают при движении источника со скоростью V>v, когда па поверхности конуса углов, удовлетворяющих условию cos q₀ = v/V, знаменатель в ф-ле (2) обращается в нуль, а доплеровская частота w неограниченно возрастает,- имеет место т. н. аномальный Доплера эффект. При аномальном Доплера эффекте частота растёт с увеличением угла q, тогда как при нормальном Доплера эффекте (в т. ч. в случае V>v вне конуса cos q₀ = v/V)под большими углами q излучаются меньшие частоты. Излучение внутри указанного конуса (соответствующего конусу Маха в газовой динамике или черенковскому конусу в электродинаке), где имеет место аномальный Доплера эффект, сопровождается не затуханием, как при нормальном Доплера эффекте, а наоборот, усилением колебаний излучателя. В результате, если излучение на аномальных доплеровских частотах превалирует, возможна раскачка излучателя (осциллятора) за счёт энергии его поступат. движения. С аномальным Д. э. связаны, в частности, генерация волн на поверхности жидкости за счёт раскачки колебаний тела, буксируемого на упругой нити с достаточно большой скоростью, самовозбуждение колебаний в нек-рых электронных приборах и ряд др. движений в автоколебат. системах (см. Автоколебания С ).квантовой точки зрения, аномальный Д. э. соответствует излучению фотона с одноврем. переходом осциллятора на более высокий энергетич. уровень.

Асимметрия Доплера эффекта относительно движения источника и наблюдателя следует из того, что фазовая скорость v, входящая в ур-ние (2), вообще говоря, различна в движущейся и неподвижной среде; распространение звука по ветру идёт быстрее, чем против ветра, свет частично увлекается движущейся диэлектрич. средой и т. п. Др. словами, величина Д. э. определяется величиной и направлением скорости как источника, так и приёмника относительно среды, в к-рой распростраияются волны. Исключение составляет случай эл--магн. волн в вакууме, когда, согласно осн. постулату теории относительности, v=c во всех системах отсчёта и Д. э. полностью определяется относит. скоростью источника и приёмника.

Разновидностью Д. э. является т. н. двойной Д. э.- смещение частоты волн при отражении их от движущихся тел, поскольку отражающий объект можно рассматривать сначала как приёмник, а затем как переизлучатель волн. Если w₀ и v₀ - частота и скорость падающей на плоскую границу волны, то частоты w_i вторичных (отражённых и прошедших) волн, распространяющихся со скоростями v_i, оказываются равными:

где q_0,i - углы между волновым вектором соответствующей волны и нормальной составляющей скорости V движения отражающей поверхности. Ф-ла (3) справедлива и в том случае, когда отражение происходит от движущейся границы изменения состояния макроскопически неподвижной среды (напр., волны ионизации в газе). Из неё следует, в частности, что при отражении от границы, движущейся навстречу волне, частота повышается, причём эффект тем больше, чем ближе скорость границы и скорость распространения отражённой волны друг к другу.

В случае нестационарных сред (когда параметры среды меняются во времени) изменение частоты может происходить даже для неподвижного излучателя и приёмника - т. н. параметрический Д. э.

оплера эффект назван в честь К. Доплера (Ch. Doppler), к-рый впервые теоретически обосновал его в акустике и оптике (1842). Первое эксперим. подтверждение Доплера эффекта в акустике относится к 1845. Уточнения, необходимые для наблюдения Доплера эффекта в оптике, были сделаны А. Физо (A. Fiseau, 1848), к-рый рассмотрел, в частности, доплеровское смещение спектральных линий, обнаруженное позднее (1867) в спектрах нек-рых звёзд и туманностей. Поперечный Доплера эффект был обнаружен Г. Айвсом (Н. Ives) и Д. Стилуэллом (D. Stilwell, 1938). Обобщение Д. э. на случай нестационарных сред принадлежит В. А. Михельсону (1899).

Доплера эффект позволяет измерять скорость движения источников излучения или рассеивающих волны объектов и находит широкое практич. применение. Так, в астрофизике Д. э. используется для определения скорости движения звёзд, а также скорости вращения небесных тел. Измерения доплеровского смещения линий в спектрах излучения удалённых галактик привели к выводу о расширяющейся Вселенной (см. Красное смещение ).В спектроскопии доплеровское уширение линий излучения атомов и ионов даёт способ измерения их температуры. В радио- и гидролокации Д. э. используется для измерения скорости движущихся целей, а также при синтезе апертуры (см. Антенна).

Литература по 'эффекту Доплера

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.