Les ondes lumineuses provenant d'une source en mouvement subissent l'effet Doppler entraînant un décalage vers le rouge ou vers le bleu dans la fréquence de la lumière. Ceci est d'une manière similaire (mais pas identique) à d'autres types d'ondes, telles que les ondes sonores. La principale différence est que les ondes lumineuses ne nécessitent pas de support pour les déplacements, application classique de l'effet Doppler ne s'applique pas précisément à cette situation.
Effet Doppler relativiste pour la lumière
Considérons deux objets: la source lumineuse et "l'auditeur" (ou observateur). Les ondes lumineuses se déplaçant dans un espace vide n'ayant pas de support, nous analysons l'effet Doppler de la lumière en termes de mouvement de la source par rapport à l'auditeur.
Nous configurons notre système de coordonnées afin que la direction positive soit de l'auditeur vers la source. Donc, si la source s'éloigne de l'auditeur, sa vitesse v est positif, mais s'il se dirige vers l'auditeur, alors le
v est négatif. L'auditeur, dans ce cas, est toujours considéré comme au repos (donc v est vraiment le total vitesse relative entre eux). La vitesse de la lumière c est toujours considéré comme positif.L'auditeur reçoit une fréquence FL qui serait différente de la fréquence transmise par la source FS. Ceci est calculé avec la mécanique relativiste, en appliquant nécessaire la contraction de longueur, et obtient la relation:
FL = sqrt [( c - v)/( c + v)] * FS
Red Shift et Blue Shift
Une source lumineuse en mouvement une façon de l'auditeur (v est positif) fournirait une FL c'est moins que FS. dans le spectre de lumière visible, cela provoque un décalage vers l'extrémité rouge du spectre lumineux, il est donc appelé un redshift. Lorsque la source lumineuse se déplace vers l'auditeur (v est négatif), FL est supérieur à FS. Dans le spectre de la lumière visible, cela provoque un décalage vers l'extrémité haute fréquence du spectre lumineux. Pour une raison quelconque, le violet a l'extrémité courte du manche et un tel décalage de fréquence est en fait appelé un décalage vers le bleu. De toute évidence, dans la zone du spectre électromagnétique en dehors du spectre de la lumière visible, ces décalages pourraient ne pas être réellement vers le rouge et le bleu. Si vous êtes dans l'infrarouge, par exemple, vous changez ironiquement une façon du rouge lorsque vous rencontrez un "redshift".
Applications
La police utilise cette propriété dans les boîtes radar qu'elle utilise pour suivre la vitesse. Les ondes radio sont transmis, entrent en collision avec un véhicule et rebondissent. La vitesse du véhicule (qui agit comme la source de l'onde réfléchie) détermine le changement de fréquence, qui peut être détecté avec la boîte. (Des applications similaires peuvent être utilisées pour mesurer la vitesse du vent dans l'atmosphère, qui est le "Radar Doppler"dont les météorologues raffolent.)
Ce décalage Doppler est également utilisé pour suivre les satellites. En observant comment la fréquence change, vous pouvez déterminer la vitesse par rapport à votre emplacement, ce qui permet au suivi au sol d'analyser le mouvement des objets dans l'espace.
En astronomie, ces changements s'avèrent utiles. Lorsque vous observez un système avec deux étoiles, vous pouvez savoir lequel se déplace vers vous et lequel s'éloigne en analysant la façon dont les fréquences changent.
Plus important encore, les preuves de l'analyse de la lumière provenant de galaxies éloignées montrent que la lumière subit un décalage vers le rouge. Ces galaxies s'éloignent de la Terre. En fait, les résultats sont un peu au-delà du simple effet Doppler. C'est en fait un résultat de l'espace-temps lui-même en expansion, comme prédit par relativité générale. Les extrapolations de ces preuves, ainsi que d'autres constatations, étayent la "Big Bang"image de l'origine de l'univers.