ドップラー効果は光の中で起こりますか?

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ドップラー効果とは、波を発している源に対して動いている観測者が知覚したときの波の周波数の変化です。この効果は、観測者が光源に近づく (または光源が観測者に近づく) と周波数が増加 (および波長が減少) し、互いに遠ざかるにつれて周波数が減少します。

この効果は、フォーミュラ 1 レースなどで車が接近してから遠ざかる音のピッチの変化を観察するときに毎日見ることができます。前を通り過ぎてから離れます。

私たちが知覚するトーンの変化は、日常生活におけるドップラー効果の最も明白な例かもしれません。ただし、この効果は音波だけでなく、光波を含むあらゆる種類の波に適用されます。このため、ドップラー効果は天文学や他の多くの科学分野で非常に重要です。

ドップラー効果式

ドップラー効果は、観測された周波数または波長を光源の周波数または波長に関連付ける一対の方程式の形式で表すことができます。その適用は、波の発生源と観測者が互いに近づいているか遠ざかっているかによって異なります。

この場合、使用する方程式または式は次のとおりです。

これらの式で、f _{obs は}観測者が知覚する周波数を表します。f _{source は、}ソースが放射する周波数です。λ は波長です。vは波が媒質内を伝播する速度、v _sourceは波源が観測者に近づく相対速度です。

ご覧のとおり、方程式は、観測者が知覚する周波数は、光源が近づく速度が速くなるにつれて増加し、波長では逆になることを予測しています。

これらの方程式は、ソースの速度の符号が異なるだけで、前の方程式と同等です。

すべての変数は前のケースと同じです。これらの方程式は、観測者が知覚する周波数が減少し、光源が後退する速度が増加するにつれて波長が増加することを予測します。

光は、真空中を約 30 万 km/s の一定速度で伝播する電磁波のように振る舞います。光の色を決定するのは、その波長または周波数です。より高い周波数またはより短い波長の可視光は青と紫の間の色であり、より長い波長でより低い周波数の光は赤です。

光源から遠ざかる際 (または光源が遠ざかる際) にドップラー効果が発生すると、光源が放出している周波数よりも低い周波数の光を知覚します。この周波数の変化により、私たちが知覚する光の色は、以前の可視光のスペクトルよりも赤に近くなります。このため、この現象はシフトまたは赤方偏移と呼ばれます。

お分かりのように、赤方偏移は天文学において非常に重要です。その定量化により、他の天体が私たちから遠ざかる速度を間接的に決定できるからです。これは、遠くの星や星雲からの光の原子吸収線の周波数シフトを決定することによって達成されます。

それが赤方偏移と呼ばれるという事実は、光自体が赤であることを意味するのではなく、むしろその周波数が電磁スペクトルで赤色の周波数が見られる方向または方向にシフトしたことを意味することに注意する必要があります。

青方偏移は、赤方偏移の反対の効果です。これは、私たちに近づいているソースから放出される光波または電磁波の周波数の増加を指します。

青への変位またはシフトの効果は、たとえば、警察が車の移動速度を決定するために使用するピストル速度計、特にLIDAR技術（物体の測定および検出システムレーザ）。

Juano、A.ら（sf）。ドップラー効果と赤と青へのシフト。https://www.ucm.es/data/cont/docs/136-2015-01-27-El%20efector%20Doppler.pdfから取得
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Serway, RA, Beichner, RJ, & Jewett, JW (1999). 物理学: 科学者およびエンジニア向け (サンダースゴールデンサンバーストシリーズ) (第 5 版⁾。ペンシルバニア州フィラデルフィア: サンダーズカレッジパブ。

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