Cum putem "populariza" efectul doppler pentru undele luminoase?

[Eugen7]

Acum hai să zicem că sursa merge dinspre A spre B cu o viteză constantă, și să ne uităm la unda emisă atunci când trece prin B. Unda aceasta trebuie să ajungă în A tot la fel de repede ca oricare alta, pentru că așa cum știm, viteza luminii nu depinde de viteza relativă a observatorilor. Problema este, desigur, că sursa se mișcă îndepărtându-se de A, deci ca să ajungă la fel de repede la A parcurgând cocoașe la fel de distanțate între ele, ar trebui să o parcurgă pe fiecare cu viteză mai mare, astfel încât să compenseze viteza sursei care se îndepărtează. Lumina nu poate face însă asta, așa că singura soluție este să aibă mai puține cocoașe de parcurs, deci să crească lungimea de undă. Similar, și în sens invers -- pentru a ajunge la fel de repede, ar trebui să parcurgă distanța dintre două cocoașe mai încet, dar cum nu poate face asta, trebuie să aibă mai multe cocoașe de parcurs.

Privesc lucrurile in felul urmator:
Una electromagnetica se propaga in spatiu, insa spatiul nu este absolut (fix) ci se extinde.
Trebuie sa tinem cont de expansiunea uniforma a universului, in toate directiile relativ la orice punct din spatiu.

În 1929 Hubble a făcut surprinzătoarea descoperire că mărimea deplasării spre roşu a spectrului unei galaxii nu este întâmplătoare ci este direct proporţională cu distanţa galaxiei faţă de noi. Cu alte cuvinte, cu cât galaxia este mai îndepărtată de noi cu atât se depărtează mai repede (teorema lui Hubble.)

In această deplasare mai rapidă trebuie tinut cont de faptul că spaţiul-timpul este cel care se extinde (cu o rată constantă). Galaxiile nu se deplasează într-un spaţiu preexistent, ci insuşi spaţiu se extinde, datorită expansiunii Univesului.

Este întocmai ca o minge sferică pe suprafaţa careia sunt pictate buline la distante egale. Când umflăm mingea (cu o rata constantă în timp) distanta dintre oricare doua pete va creste (proporţional cu distanţa), întrucît suprafata mingii se extinde (cu o rată constantă). Astfel, cu cat bulinele sunt mai departate unele de altele, distanta dintre ele va creşte mai mult, deci privit de pe orice punct de pe minge, avem impresia ca viteza de deplasare a bulinelor unele faţă de altele, este cu atât mai mare cu cât ele sunt mai departate unele faţa de altele. Întocmai se întampla şi în Univers, întrucât putem face analogie intre suprafaţa mingii şi spaţiu precum si intre bulinele de pe suprafaţa mingii si galaxiile din Univers.

Intrucat spatiul intre doua varfuri cosecutive ale undei luminoase nu este constant ci creste, deci creste lungimea de unda, atunci frecventa unei scade, ceea ce corespunde unei deplasari spre rosu. (Asa putem explica radiatia de fond a universului, cand unda electromagnetica a iesit din spectrul luminos si a intrat in cel al microundelor, deoarece lungimea de unda a crescut datoria expansiunii spatiale uniforme in orice directie, a universului.)

Acesta influenta a spatiului asupra undei electromagnetice, este evidenta in cazul gaurilor negre, mai exact cand se formeaza o gaura neagra, cand spatiul din jurul gaurii negre se "modifica rapid" si vedem cum lumina stelei (care este galbena spre exemplu) se deplaseaza foarte rapid spre rosu (ceea ce corespunde cresterii lungimii de unda) pana nu mai "vine" nici o lumina de la steaua care a devenit gaura neagra, caci "spatiul" din jurul gaurii negre nu mai perminte acest lucru (propagarea undei electromagnetice).

[morpheus]

Una electromagnetica se propaga in spatiu, insa spatiul nu este absolut (fix) ci se extinde.
Trebuie sa tinem cont de expansiunea uniforma a universului, in toate directiile relativ la orice punct din spatiu.

Tu descrii aici deplasarea spre rosu cosmologica, nu efectul Doppler pentru undele luminoase. Sunt lucruri diferite.

[Eugen7]

Tu descrii aici deplasarea spre rosu cosmologica, nu efectul Doppler pentru undele luminoase. Sunt lucruri diferite.

Mai citeste te rog ultimele doua paragrafe din postarea mea, (cel cu gaura neagra si cel cu radiatia de fond), caci acelea face referire clara la efectul Doppler pentru "undele luminoase" (unda electromagnetica in spectrul vizibil de frecvente).

[AlexandruLazar]

Nu face . Efectul Doppler se referă la modificarea lungimii de undă exclusiv datorită deplasării relative a observatorului și a sursei, nu datorită curbării sau întinderii spațiului. În cazul galaxiilor, e vorba de acea componentă a deplasării spre rosu datorată mișcării proprii.

[morpheus]

Mai citeste te rog ultimele doua paragrafe din postarea mea, (cel cu gaura neagra si cel cu radiatia de fond), caci acelea face referire clara la efectul Doppler pentru "undele luminoase" (unda electromagnetica in spectrul vizibil de frecvente).

Le-am recitit, dar nu vad unde e diferenta fata de primele paragrafe.

Uite cum vad eu treaba, din cate am citit, cel mai mult informatii provenind din pe wikipedia.

Ca efect "resimtit" de observator, se intampla cam acelasi lucru atat in cazul redshift-ului cosmologic, cat si in cazul indepartarii sursei de lumina fata de observator (sa-i zicem efect Doppler local). Adica undele luminoase sunt percepute de observator ca avand o lungime de unda mai mare. Efectul de deplasare spre rosu e dat in primul caz de expansiunea universului (sursa ar putea chiar sa fie in acelasi sistem de referinta cu observatorul, si tot ar aparea efectul, din cauza "umflarii balonului"), iar in cel de-al doilea e vorba de un efect generat strict de miscarea sursei fata de observator.

Prin zona asta a paginii wikipedia corespunzatoare deplasarii spre rosu se explica despre ce e vorba.

Edit:
Am vazut si mesajul lui Alexandru si cred ca mi-a luat-o inainte

[Eugen7]

Nu face . Efectul Doppler se referă la modificarea lungimii de undă exclusiv datorită deplasării relative a observatorului și a sursei, nu datorită curbării sau întinderii spațiului. În cazul galaxiilor, e vorba de acea componentă a deplasării spre rosu datorată mișcării proprii.

În fizică și astronomie, deplasarea spre roșu are loc când radiația electromagnetică—de regulă lumina vizibilă—emisă sau reflectată de un obiect este deplasată spre domeniul de energie mică (roșu) al spectrului electromagnetic din cauza efectului Doppler sau a altor efecte gravitaționale.
În general, deplasarea spre roșu se definește ca fiind o creștere a lungimii de undă a radiației electromagnetice receptată de un detector în comparație cu lungimea de undă emisă de sursă. Această creștere a lungimii de undă corespunde unei scăderi a frecvenței radiației electromagnetice.

O tratare mai completă a deplasării Doppler spre roșu impune luarea în calcul a efectelor relativiste asociate cu mișcarea surselor cu viteze apropiate de viteza luminii. Pe scurt, deplasarea spre roșu a luminii emise de obiectele ce se apropie de viteza luminii va suferi deviații de la formula de mai sus (z aprox v/c. z este deplasarea spre rosu, v este viteza sursei iar c este viteza luminii) din cauza dilatării spațiu-timpului din teoria relativității restrânse, deviații care pot fi corectate prin introducerea factorului Lorentz γ în formula efectului Doppler clasic.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Deplasare_spre_ro%C8%99u#Efectul_Doppler_relativist

[morpheus]

În fizică și astronomie, deplasarea spre roșu are loc când radiația electromagnetică—de regulă lumina vizibilă—emisă sau reflectată de un obiect este deplasată spre domeniul de energie mică (roșu) al spectrului electromagnetic din cauza efectului Doppler sau a altor efecte gravitaționale.
În general, deplasarea spre roșu se definește ca fiind o creștere a lungimii de undă a radiației electromagnetice receptată de un detector în comparație cu lungimea de undă emisă de sursă. Această creștere a lungimii de undă corespunde unei scăderi a frecvenței radiației electromagnetice.

O tratare mai completă a deplasării Doppler spre roșu impune luarea în calcul a efectelor relativiste asociate cu mișcarea surselor cu viteze apropiate de viteza luminii. Pe scurt, deplasarea spre roșu a luminii emise de obiectele ce se apropie de viteza luminii va suferi deviații de la formula de mai sus (z aprox v/c. z este deplasarea spre rosu, v este viteza sursei iar c este viteza luminii) din cauza dilatării spațiu-timpului din teoria relativității restrânse, deviații care pot fi corectate prin introducerea factorului Lorentz γ în formula efectului Doppler clasic.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Deplasare_spre_ro%C8%99u#Efectul_Doppler_relativist

In continuare sustin ideea ca, in opinia mea, sunt lucruri diferite, dar nu insist pe asta. Efectele relativiste ptr. doppler si cele ale expansiunii in generarea deplasarii spre rosu a radiatiei sunt lucruri diferite. E posibil sa ma insel si sa fi inteles gresit eu, asa ca daca e cazul probabil ca voi fi corectat pe parcurs...

Deocamdata consider ca nu are rost sa insistam pe directia asta, ca nu face subiectul topicului. Cel putin nu am intentionat asta, dar nu-i bai daca dezvoltati discutia si pe directia asta...

Ideea e ca incercam sa "vizualizez" efectul doppler ptr unde electromagnetice si mi-ai oferit o "viziune" care are la baza expansiunea universului, deci "umflarea balonului". Nu din cauza umflarii balonului apare ceea ce apare... ma insel?

[AlexandruLazar]

@Eugen7: În primul rând, Wikipedia nu este o referință prea grozavă (cu atât mai puțin ediția în română) -- e unul din motivele pentru care majoritatea profesorilor pur și simplu le interzic studenților să treacă în bibliografie Wikipedia. De asemenea, majoritatea celor care postează aici știu destul de bine măcar conținutul din paginile Wikipedia la care ai dat link, majoritatea conțin informație cam la nivelul unei note de cinci-șase la cursul meu de fizică din anul I, asta în condițiile în care eu n-am făcut o facultate de fizică -- încearcă și tu să aduci ceva referințe mai consistente dacă ții neapărat .

În al doilea rând, faci niște confuzii aici . Deplasarea spre roșu nu este totuna cu efectul Doppler, iar efectul Doppler relativist nu este totuna cu deplasarea spre roșu datorată efectelor gravitaționale.

Deplasarea spre roșu înseamnă, evident, translatarea vârfurilor din componenta spectrală înspre roșu, nimic misterios aici.

Efectul Doppler înseamnă deplasarea spre roșu exclusiv datorită existenței unei viteze între sursă și observator, indiferent cât de mică sau cât de mare. În particular, în cazul corpurilor celeste, viteza e foarte mică, nu e nici măcar pe-aproape de viteze relativiste. Cele mai mari viteze proprii pentru stelele relativ apropiate sunt până în 280-300 km/s, deci cu vreo trei ordine de mărime sub viteza luminii.

Dacă viteza relativă a sursei față de observator crește foarte mult, trebuie să incluzi dilatarea timpului atunci când faci analiza efectului Doppler și apar niște diferențe atât calitative, cât și cantitative față de cazul când vitezele nu sunt relativiste.

Deplasarea spre roșu gravitațională e cea care apare în vecinătatea obiectelor mari și nu este un tip de efect Doppler, acolo vezi lumina deplasată spre roșu și dacă nu te miști față de gaura neagră.

Edit:
@morpheus:

Ideea e ca incercam sa "vizualizez" efectul doppler ptr unde electromagnetice si mi-ai oferit o "viziune" care are la baza expansiunea universului, deci "umflarea balonului". Nu din cauza umflarii balonului apare ceea ce apare... ma insel?

Nope, nu te înșeli deloc. Acuma, dacă tot m-am uitat și eu pe link-urile lui Eugen7, poate te ajută un pic descrierea pe care o dau cei de la Wikipedia:

The relative increase in frequency can be explained as follows. When the source of the waves is moving toward the observer, each successive wave crest is emitted from a position closer to the observer than the previous wave. Therefore each wave takes slightly less time to reach the observer than the previous wave. Therefore the time between the arrival of successive wave crests at the observer is reduced, causing an increase in the frequency. While they are traveling, the distance between successive wavefronts is reduced; so the waves "bunch together". Conversely, if the source of waves is moving away from the observer, each wave is emitted from a position farther from the observer than the previous wave, so the arrival time between successive waves is increased, reducing the frequency. The distance between successive wavefronts is increased, so the waves "spread out".

[Eugen7]

Deplasarea spre roșu nu este totuna cu efectul Doppler, iar efectul Doppler relativist nu este totuna cu deplasarea spre roșu datorată efectelor gravitaționale.

Bineinteles.
Cum explicati existenta radiatiei de fond a universului. Concret, care a fost cauza care a determinat scaderea frecventei (cresterea lungimii de unda) in cazul radiatiei (electromagnetice) de fond a universului?

[morpheus]

Nope, nu te înșeli deloc. Acuma, dacă tot m-am uitat și eu pe link-urile lui Eugen7, poate te ajută un pic descrierea pe care o dau cei de la Wikipedia:

The relative increase in frequency can be explained as follows. When the source of the waves is moving toward the observer, each successive wave crest is emitted from a position closer to the observer than the previous wave. Therefore each wave takes slightly less time to reach the observer than the previous wave. Therefore the time between the arrival of successive wave crests at the observer is reduced, causing an increase in the frequency. While they are traveling, the distance between successive wavefronts is reduced; so the waves "bunch together". Conversely, if the source of waves is moving away from the observer, each wave is emitted from a position farther from the observer than the previous wave, so the arrival time between successive waves is increased, reducing the frequency. The distance between successive wavefronts is increased, so the waves "spread out".

Da, multumesc pentru citat. Intr-adevar, e o modalitate de a vizualiza fenomenul care ma ajuta. Problemele apareau in mintea mea, si cred ca am pomenit asta la un moment dat dupa un raspuns al lui electron, pentru ca nu reuseam sa ma desprind de ideea ca radiatia electromagnetica consta din cuante, pe care le vizualizam ca entitati absolute (dpdv al frecventei) in acest context. Mental asociam proprietatea de frecventa fiecarei cuante in parte si nu puteam sa ma rup de reprezentarea asta (corpusculara sa-i zic) pentru a accepta explicatia de mai sus, pe care banuiesc ca am mai citit-o si anterior, daca nu pe wikipedia, in vreo forma similara n alta parte...

Electron m-a lamurit la un moment dat spunandu-mi ca, in afara de viteza, nimic nu e absolut cand vine vorba de observarea cuantelor din sisteme de referinta diferite. Cel putin am ramas cu impresia ca e un argument de care ma pot agata, in ciuda faptului ca nu posed cunostintele necesare intelegerii complete a fenomenului...

Final Edit:
Am modificat putin cele de mai sus, sper intr-o forma mai clara...

[Eugen7]

Da, multumesc pentru citat. Intr-adevar, e o modalitate de a vizualiza fenomenul care ma ajuta. Problemele in mintea mea apareau, si cred ca am pomenit asta la un moment dat dupa un raspuns al lui electron, pentru ca nu reuseam sa ma desprind de faptul ca radiatia electromagnetica consta din cuante, pe care le vizualizam ca entitati absolute (dpdv al frecventei) in acest context. Electron m-a lamurit la un moment dat spunandu-mi ca in afara de viteza, nimic nu e absolut cand vine vorba de observarea cuantelor din sisteme de referinta diferite. Cel putin am ramas cu impresia ca e un argument de care ma pot agata, in ciuda faptului ca nu posed cunostintele necesare intelegerii complete a fenomenului...

Acea explicatie, clasica, se "vede" foarte clar in cazul undelor sonore. Dar in cazul undei electromagnetice care se propaga cu viteza luminii, si toti observatorii masoara acceasi viteza pt lumina, nu mai e asa de "clara".

O undă este un fenomen fizic ce se propagă si se reproduce singur "un pic" mai tarziu in timp si "un pic" mai departe in spațiu.

Astfel, propagarea undei electromagnetice depinde de spatiu, care nu este fix (static), ci este in continua expasiune (ceea ce afecteaza in mod direct lungimea de unda si evident frecventa)

[AlexandruLazar]

Desigur, de-asta a și întrebat morpheus ce a întrebat.

Deplasarea spre roșu nu este totuna cu efectul Doppler, iar efectul Doppler relativist nu este totuna cu deplasarea spre roșu datorată efectelor gravitaționale.

Bineinteles.
Cum explicati existenta radiatiei de fond a universului. Concret, care a fost cauza care a determinat scaderea frecventei (cresterea lungimii de unda) in cazul radiatiei (electromagnetice) de fond a universului?

În cazul CMB nu e vorba de niciunul din aceste trei mecanisme ci de răcirea datorată extinderii universului, ceea ce s-a tradus în scăderea energiei aceluiași număr de fotoni care au trebuit să umple un spațiu tot mai mare. Deplasarea spre roșu a radiației de fond nu depinde însă de viteza cu care se face extinderea spațiului, ci numai de cât de extins e la un moment dat.

[Eugen7]

scăderea energiei aceluiași număr de fotoni care au trebuit să umple un spațiu tot mai mare.

Energia undei electromagnetice este direct proportionala cu frecventa.

De ce sustintei ca nu putem privi in urmatorul mod:
Intrucat este vorba de acelasi numari de fotoni, ce trebuie sa umple un spatiu din ce in ce mai mare, iar fotonii pot fi priviti ca succesiuni de "creste", in momentul in care spatiul se extide uniform, distanta intre oricare 2 "creste" creste ceea ce corespunde unei cresteri a lungimii de unda si implicit o scadere a frecventei precum si a energiei.

[AlexandruLazar]

Sunt perfect de acord cu această interpretare dar în cazul efectului Doppler distanța nici nu crește, nici nu scade, iar spațiul la rândul său nici nu se întinde nici nu se comprimă. Pentru un observator aflat în A, unda emisă de sursa aflată în B are altă lungime de undă în funcție de viteza pe care o are sursa în momentul când trece prin B. Distanța dintre A și B este însă aceeași. Asta se vede și din formulă, în care intervin numai vitezele, nu și distanțele.

[Eugen7]

Sunt perfect de acord cu această interpretare dar în cazul efectului Doppler distanța nici nu crește, nici nu scade, iar spațiul la rândul său nici nu se întinde nici nu se comprimă. Pentru un observator aflat în A, unda emisă de sursa aflată în B are altă lungime de undă în funcție de viteza pe care o are sursa în momentul când trece prin B. Distanța dintre A și B este însă aceeași. Asta se vede și din formulă, în care intervin numai vitezele, nu și distanțele.

Bun. Daca in cazul undelor elastice (inclusiv sunetul), este evident cum se modifica lungimea de unda, datorita deplasarii sursei spre observator sau in directie opusa (intrucat spatiul este considerat fix), in cazul undei electromagnetice nu mai poate fi vorba de acest lucru, intrucat viteza de propagare a campului electromagnetic nu depinde de viteza de deplasare a sursei (ci este mereu aceeai, "c". Viteza luminii este constanta pentru toti observatorii).

De accea in cazul undelor electromagnetice, efectul Doppler se explica prin extinderea spatiului ce determina cresterea lungimii de unda si implicit scaderea frecventei si a energiei.

Reamintesc ca in mecanica clasica spatiul si timpul sunt fixe (ceea ce implica ca viteza luminii este variabila). In Teoria relativitatii doar viteza luminii este constanta ceea ce implica ca spatiul si timpul sunt relative. Astfel cauza ce determina efectului Doppler este diferita pentru undele elastice si pentru undele electromagnetice (pentru undele elastice cauza este deplasarea sursei spre observator sau in directie opusa, intr-un spatiu fix, iar penru undele electromagnetice, folosim teoria relativitatii, iar cazua este extinderea spatiului, intrucat viteza luminii este "c" si este independenta de viteza sursei).