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2024-11-29 05:00:00
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クエリ
電磁放射に対するドップラー効果を肉眼で観察/実証することは可能ですか?音の場合、それは比較的よく知られ、人気のある現象であり、簡単に実証したり観察したり (または聞いたり) できます。
議事録の回答
- ドップラー効果は、特定の信号の送信側と受信側の間の相互の動きに関係するため、それが音波であるか電磁波であるかは関係ありません。
- 電磁波を利用したドップラー現象は、宇宙観測、車や人工衛星の速度測定、原子や分子の動きの分光測定などに広く利用されています。
- 電磁波は光速で伝わるため、ドップラー効果を肉眼で観察することは困難です。
応答
ドップラー効果は、送信者がそれに関連して移動する受信者に送信するあらゆる波に影響を与えます。したがって、音と電磁波の両方に現れます。 [1]。音波の場合、ドップラー効果は聴覚によって容易に認識されます。通り過ぎる救急車は、近づいたり遠ざかったりするときに歩行者に異なる音で聞こえます。電磁波に関してはそう簡単ではありません。
光の速度は宇宙で許容される最高速度です
電磁波の場合、ドップラー効果を導き出すには相対論的力学から始めなければなりません [1]なぜなら、波は光の速度より速く伝わることができないため、波の送信者と受信者が相対的に移動するときに速度の加算が複雑になるからです。
とにかく、正しく導出すれば、電磁波の発生源が私たちから遠ざかっている場合、波の周波数は波の発生源が静止している場合よりも低くなるという結論になります。それ以外の場合（音源が私たちに向かって移動している場合）、周波数は高くなります。光源が可視光を発している場合、光源が私たちから遠ざかるにつれて、光はより赤く見えることがわかります。これはいわゆる赤方偏移について話しています。そうしないと、光はより青くなります。これはいわゆるブルーシフトについて話しています。
ドップラー効果は聞こえますが見えません
光と音波の本質的な違いは、ドップラー効果は聞くことはできますが、見ることはできないことです。これは、通り過ぎる救急車で簡単に確認できます。クラクションの音が徐々に小さくなるのが聞こえますが、救急車の屋根にあるビーコンの色が赤くなっているのは見えません。しかし、それはなぜでしょうか?
光と音の伝わる速さから原因を探らなければなりません。光は秒速約30万kmで伝わりますが、音は秒速0.3kmしか伝わりません。これは、通過する救急車が光速ではなく、音速 (たとえば、0.03 km/s、時速 108 km に相当) に匹敵する速度で移動していることを意味します。
周波数の変化は、送信側と受信側の相対速度と波の速度の比に関係しているため、ドップラー現象は聞こえますが、救急車では見えません。ただし、これは救急車ビーコンのドップラー効果を十分に正確な機器で測定できないことを意味するものではありません。
ドップラー効果は警察で利用されている
電磁放射におけるドップラー効果には多くの用途があります。たとえば、警察のレーダーは電波を使用して車両の速度を測定します。 [2]。レーダーは既知の周波数の電波を放射し、通過する車両によって反射されます。レーダーに対する車両の速度によって、バウンス時の周波数変化が決まります。次に、レーダーは元の信号と反射された信号の周波数から車両の速度を計算します。
たとえば、時速 100 km で走行する車両は、24 GHz (24,000,000,000 Hz) のレーダー周波数の変化を引き起こすのはわずか 4,480 Hz です。しかし、そのような小さな変化でも簡単に測定できます。
宇宙は膨張している
別の例としては、遠くの銀河から地球に降り注ぐ光の赤方偏移が考えられます。 [3]。しかし、それが赤方偏移であることはどうやってわかるのでしょうか?この光は、遠くの星を取り囲むガス雲を形成する原子の特徴的なスペクトル線を伝えます。
これらのスペクトル線の位置を実験室での測定値と比較すると、すべての線の位置が低周波数にシフトしていることがわかり、したがって赤方偏移が観察されます。私たちは青方偏移ではなく赤方偏移を測定しているため、遠方の銀河が私たちから遠ざかっていると結論付けることができます。この結論はまさに画期的です！これは宇宙が膨張していることを意味しており、これは宇宙の誕生の瞬間を定義するビッグバンの結果の 1 つです。
結論
ドップラー効果は光の下で肉眼で検出するのは困難ですが、多くの一般的なテクノロジーで重要な役割を果たしています。 [4, 5] そして、宇宙の起源に関する画期的な発見さえも可能にしました。
VítekはAskの科学者を担当しました
イング。ヴィット・スヴォボダ博士、sc.チューリッヒ工科大学、JILA — CU ボルダー & NIST
専門家によるレビューは、ベルリン自由大学の MMath Jonáš Fuksa によって提供されました。
回答は Luděk Vašta と Ing によって編集されました。クリスティーナ・カントナーロバ博士、sc.チューリッヒ工科大学、コロラド大学ボルダー校、地質科学および北極高山研究所
リソース
[1] CHパパス、電磁波伝播理論（マグロウヒル、ニューヨーク、1965年）
[2] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Sound/radar.html
[3] https://www.science.org.au/curious/space-time/how-do-astronomers-know-universe-expanding
[4] https://ieeexplore.ieee.org/document/1603402
[5] https://doi.org/10.1145/2207676.2208331
さらに読むには:
https://en.wikipedia.org/wiki/On_the_coloured_light_of_the_binary_stars_and_some_other_stars_of_the_heavens – ドップラーが現在ドップラー効果として知られているものの存在を説明した、ドップラーのオリジナルの論文からの英語の抜粋
https://archive.org/details/ueberdasfarbigel00doppuoft/page/n5/mode/2up?view=theater – 全文ドイツ語
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#ドップラー効果を肉眼で観察できるでしょうか