1- اثر دوپلركلاسيكي
پديده دوپلر در اصل براي تغيرات فركانس چشمه صوت در فيزيك كلاسيك مطرح گرديد بر اساس اين اثر هرگاه ناظري نسبت به يك چشمه صوت در حركت باشد ناظر فركانسي غير از آنچه از چشمه گسيل مي يابد را دريافت مي كند مثلا اگر يك ماشين آژيرزن به طرف ما با سرعت در حال حركت باشد به علت حركت چشمه صوت (ماشين آژيرزن ) يك تغيرفركانس در موج ارسالي از چشمه صوت متحرك به سوي ناظر ايجاد مي شود به نحويكه هرچه ماشين آژيرزن به ما نزديك تر شود صداي آژير زيرتر (فركانس بيشتر ) مي گردد و موقعي كه ماشين از كنار ما مي گذرد و دور مي شود صداي آژيري كه به گوش ما مي رسد بم تر (فركانس كمتر) مي گردد براي به دست آوردن بسامدي كه هنگام دور شدن شدن چشمه صوت از ناظر بوجود مي آيد مي توان از رابطه
استفاده كرد كه در آن f0 فركانس صوت ارسالي توسط چشمه صوت وf فركانسي است كه ناظر در يافت مي كند v سرعت صوت در محيط وvs, r سرعت دورشدن منبع صوت از ناظر است در صورت نزديك شدن چشمه صوت به ما كافي است علامت( +) مخرج را به( –) تغير دهيم
مثال : اگر چشمه صوتي با سرعت سي متر بر ثانيه از ناظري دور شود و در اين هنگام صوتي با فركانس هزار هرتز گسيل نمايد آنگاه فركانس دريافت شده توسط ناظر معادل 918 هرتز خواهد بود به همين صورت فركانس دريافتي هنگامي كه چشمه صوت به ناظر نزديك مي شود معادل 1097هرتز ودر صورتي كه ما به چشمه صوت نزديك شويم فركانسي معادل 1088 هرتز دريافت خواهيم كرد.
در اثردوپلر كلاسيكي بين بسامد هاي ثبت شده هنگامي كه چشمه صوت به سمت ناظر ساكن يا ناظر به سمت چشمه صوت ساكن يا هردو به سمت همديگر در حركت باشند تفاوت وجود دارد و در هر وضعيت بسامد ثبت شده يك عدد متفاوت خواهد بود
2- اثردوپلر نسبيتي
در اثردوپلر نسبيتي به علت اينكه چشمه گسيل كننده موج چشمه ايست كه امواج الكترو مغناطيسي تابش مي كند و رفتار اين دسته از امواج نيزتوسط نظريه نسبيت خاص توصيف شده است بنابراين وضعيت كاملا با اثردوپلر كلاسيكي فرق مي كند چرا كه طبق اصل موضوعي نسبيت خاص، مبني بر يكسان بودن قوانين فيزيكي در همه چارچوب هاي مرجع ، وجود هرگونه چارچوب مرجع ممتاز در عالم نفي ميشود بهمين خاطر ديگر حركت چشمه به سمت ناظر يا ناظر به سمت چشمه هيچ تفاوتي با هم نخواهد داشت بلكه تنها حركت نسبي چشمه و ناظر است كه براي اين انتقال در نظر گرفته مي شود
برهمين اساس مقدار انتقال دوپلري نسبيتي تنها به سرعت نسبي چشمه و ناظر بستگي دارد . در اين پديده اگر ناظر به سمت چشمه نور يا چشمه نور به سمت ناظر حركت كند يك جابه جايي به سمت آبي طيف نور و اگر چشمه نور از ناظر يا ناظر از چشمه نور دور شود با افزايش طول موج نور دريافتي يك انتقال به قرمزدر طيف نشري يا جذبي ثبت شده آن چشمه ديده مي شود مثلا اگر سرعت دور شدن يك كهكشان از زمين باعث شود تاخط آبي طيف نشري هيدروژن آن به جاي 434 نانومتر در 600 نانومتر ثبت شود آنگاه كهكشان با سرعت 13/0 سرعت نور يعني با سرعت 94 ميليون كيلومتر بر ثانيه در حال دور شدن از ما مي باشد.
3- پديده دوپلر و انبساط جهان
در سال 1929 ميلادي ادوين هابل هنگام كار با تلسكوپ 100 اينچي ماونت ويلسون متوجه شد كه كهكشانها نسبت به هم در حركتند دليل هابل براي اين فرار كهكشاني از انتقال دوپلري طيف جذبي كهكشانها به دست مي آمد.دانشمندان با مطالعه طيف جذبي (طيف جذبي خطوط تاريكي است كه بر روي طيف گسيلي پيوسته يك چشمه نور مانند ستاره يا كهكشان ديده مي شود )ستارگان موجود در كهكشان ما ( راه شيري) اينگونه استدلال كردند ، ستارگاني كه طيف جذبي آنها به طرف طول موجهاي كوهتاتر (آبي ) جابه جا مي شود آن ستاره به ما نزديك مي شود وهنگامي كه خطوط طيف جذبي به سمت طول موجهاي بلندتر (قرمز ) جابه جا مي شود آن ستاره از ما دور مي شود ستاره شناسان با توجه به همين موضوع سرعت دور شدن يا نزديك شدن ستاره گان كهكشان راه شيري را در حدود سي كيلو متر بر ثانيه يعني يك ده هزارم سرعت نور اندازه گيري كردند نور كهكشانهاي همسايه نيز انتقال به قرمز يا آبي دارند كه نشانگر دور شدن يا نزديك شدن آنها به كهكشان ما مي باشد . قبل از هابل اسليفر در سال 1912 متوجه قرمز گرايي طيف كهكشان ها ي دور دست شد. هفده سال بعد هابل اين كشف اسليفر را تصديق نمود او علاوه بر تاييد قرمز گرايي طيف كهكشانها به رابطه بين اين قرمز گرايي و كم نور شدن كهكشانها پي برد هابل با استفاده از رابطه
(فاصله كهكشان از ما) × (ثابت هابل ) = سرعت دور شدن كهكشان از ما
(دانشمندان با اين ثابت خيلي مشكل دارند ولي به هر حال بر روي عدد مگا پارسك/ كيلو متر بر ثانيه67 ( هر مگا پارسك مسافتي معادل3200000 سال نوري است) تقريبا توافق دارند هرچند كه آلن سانديچ – گوستاو تامان مقدار
(مگا پارسك/ كيلو متر بر ثانيه 50) اندازه گيري كردند و آئرونسون – هاچرا اين مقدار را
(مگا پارسك/ كيلو متر بر ثانيه 90 ) تخمين زدند و ديگران اين مقدار را با بررسي ابر نواخترها بين
(مگا پارسك/ كيلو متر بر ثانيه 68 تا 76 )محاسبه نمودند لازم به ذكر است كه براي كهكشان هاي دور دست مقدار ثابت هابل انحراف چشمگيري از نورم تعيين شده براي آن پيدا مي كند مثلا كهكشانهايي در فاصله 160 مگا پارسكي ديده شدند كه سرعت دور شدنشان از ما 8000 كيلو متر بر ثانيه است ،در همين حال كهكشانهايي در فاصله اي بسيار نزديك تر( 80 مگا پارسك) وجود داشتند كه از همين سرعت برخوردار بودند يعني انتقال به قرمز يكساني با كهكشان هاي با فاصله 160 مگا پارسكي داشتند
با استفاده از رابطه zc = Hd (كه در آن zc = v ( z = قرمز گرايي ) وv = سرعت دور شدن كهكشان ها يا ستاره ، c = سرعت نور، d = فاصله كهكشان يا ستاره از ما وH = ثابت هابل مي باشد
مقدار z برابر است با اختلاف طول موج خطوط طيفي ثبت شده از نور كهكشان ها يا ستاره به طول موج همان خطوط در روي زمين) مي توان به نتايجي مشابه آنچه گفته شد رسيد.
بر همين اساس سرعت فرار كهكشاني كه در فاصله شصت ميليون سال نوري از ما قرار دارد معادل 1200 كيلو متر بر ثانيه است ، سرعت دور شدن دب اكبر كه در فاصله 730 ميلون سال نوري از ما قرار دارد معادل 15000 كيلو متر بر ثانيه است بهمين صورت سرعت فرار اكليل شمالي ، عوا ، هيدرا كه به ترتيب در فاصله يك ميليارد سال نوري ، دو ميليارد سال نوري و سه ميليارد سال نوري از ما قرار دارند معادل 22000 ، 39000 و 60000 كيلومتر بر ثانيه مي باشد
با توجه به سه مورد اخير مي توان به صورت ساده نتيجه گرفت كهكشاني كه در فاصله نه مليارد سال نوري از ما قرار دارد بايد از سرعت فراري بيش از 200000 كيلو متر بر ثانيه بر خوردار باشد براي محاسبه دقيقتر، ثابت هابل را مگا پارسك/ كيلو متر بر ثانيه67 در نظر بگيريد و محاسبه را انجام دهيد( فاصله را از سال نوري به مگاپارسك تغير دهيد)
به نظر شما اگر كهكشاني در فاصله 13ميليارد سال نوري از ما قرار داشته باشد و مقدار ثابت هابل نيز با توجه به مشاهدات تجربي نه 67 بلكه( مگا پارسك/ كيلو متر بر ثانيه 76) باشد آنگاه سرعت فرار كهكشاني كه در اين فاصله از ما قرار دارد چقدر مي شود؟ محاسبه كنيد. ( ولي تعجب نكنيد !!)
سرعت الكترون به دور هسته براي اتم هيدروژن 2000 كيلومتر بر ثانيه و سرعت لازم براي فرار از جاذبه زمين 11 كيلومتر بر ثانيه مي باشد
پليس هاي راهنمايي و رانندگي از پديده دوپلرنسبيتي براي محاسبه سرعت ماشين ها نيز استفاده مي كنند يا در سيستم رادار سرعت وجهت پرواز هواپيماها به همين طريق به دست مي آيد ومواردي از اين قبيل
سئوال: آيا پديده دوپلر مي تواند اين حوضه وسيع مسافت ها را به خوبي و بدون نقص پوشش دهد از يك ماشين500 كيلو گرمي كه در فاصله چند صد متري ما قرار دارد تا كهكشان چند ميليار ستاره اي كه در فاصله چند ميليارد سال نوري ازما واقع شده است؟؟
4- نگاهي ديگر به پديده قرمز گرايي
اگر ما اين فرض را بپذيريم كه در ساختمان فوتون تعداد n سي پي اچ وجود دارد و چگالي اين سي پي اچ ها به انرژي فوتون بستگي دارد ( بدين معنا كه هرچه يك تابش الكترومغناطيس از انرژي بيشتري برخوردار باشد چگالي سي پي اچ ها ي فوتون هاي آن بيشتر است ) آنگاه به دليل تداخل سي پي اچ ها موضوع خروج آنها از فوتون پيش مي آيد در اين صورت هرچه منبع تابش از ما فاصله ى بيشترى داشته باشد از فوتون هاي آن تابش به دليل تداخل اسپيني سي پي اچ هاي بيشتري خارج مي شود و درنتيجه طول موج فوتون دريافت شده از چشمه دور دست دچار انتقال به قرمز بيشتري مي شود .(رجوع شود به مقاله Khorojecph ) كه در آن احتمال خروج با افزايش طول موج تابش كاهش مي يابد از اينرو شدت خروج سي پي اچ ها از فوتون هاي يك تابش گاما بسيار بيشتر از خروج سي پي اچ ها از يك تابش مادون قرمز يا مريي مي باشد و همچنين دو تابش با فركانس يكسان آن تابشي كه منبع توليدش در فاصله بيشتري از ما قراردارد به دليل خروج سي پي اچ بيشتر ازفوتون هاي آن از انتقال به قرمز بيشتري نسبت به تابشي كه در فاصله كمتر نسبت به ما قرار دارد برخوردار مي شود در ضمن كاهش چگالي سي پي اچ ها در فوتون هاي تابش مادون قرمز باعث كاهش تداخل سي پي اچ ها و به دنبال آن كاهش خروج آنها از فوتون مي شود بنابراين
انتقال به قرمز تنها به سرعت دور شدن منبع تابش از ما بستگي ندارد و در ابعاد كيهاني انتقال به قرمز به دليل خروج سي پي اچ ها بسيار با اهميت تر ازانتقال به قرمز بر اثر پديده دوپلر است
به عبارت ديگر
تغيرات طول موج = ۪ λ- ( تغيرات طول موج ناشي از انتقال دوپلري ± افزايش طول موج ناشي از خروج سي پي اچ ها)
علامت (+ ) هنگام دور شدن منبع تابش از ما و علامت ( – ) هنگام نزديك شدن منبع تابش به ما مي باشد .
براي فواصل نزديك مقدار قرمز گرايي براثر خروج سي پي اچ به حداقل مقدار خود مي رسد در صورتيكه در فواصل دور مقدار اين قرمز گرايي به دليل خروج سي پي اچ ها آنقدر افزايش مي يابد كه انتقال دوپلري ناشي از دور شدن منبع تابش از ما را تحت شعاع قرار مي دهد به نحويكه اين انتقال به قرمز قابل چشم پوشي خواهد بود. با اين حساب انبساط عالم آنگونه كه ما مي پنداريم شتابان نيست بلكه به دليل عدم توجه به افزايش طول موج نورهاي ارسالي بر اثر تحليل رفتن انرژي آنها (به خاطر پديده خروج سي پي اچ ها ) همه انتقال به قرمز را مربوط به انتقال دوپلري پنداشته و بدنبال آن به اعداد و ارقام عجيب و غريب ودور از ذهن در مورد سرعت فرار كهكشان ها مي رسيم درنتيجه مجبور مي شويم براي توجيه اين معضل به يك توهم ديگر متوصل شويم (انرژي تاريك ) كه وجود آن در اين قرن تفاوت چنداني با فلسفه وجود اتر در قرن نوزدهم ندارد
منابع :
1- http://cph-theory.persiangig.com
2- From Wikipedia, the free encyclopedia Doppler effect
3- Relativistic Doppler effect From Wikipedia, the free encyclopedia
4- Doppler radar Wikipedia, the free encyclopedia
5- فيزيك مدرن كنت اس . كرين