Stellen Sie sich vor, Sie stehen an einer Bushaltestelle und hören die Sirene eines ankommenden Krankenwagens. Konzentrieren Sie sich auf die Tonhöhe der Note, nicht auf den Anstieg und Abfall ihrer Lautstärke. Wenn sich der Krankenwagen Ihnen nähert, ertönt die Sirene so hoch, wie die höchste Note eines Klaviers. Dann, nachdem der Krankenwagen an Ihnen vorbeigefahren ist, sinkt die Tonhöhe seines Sirenentons, je weiter er sich von Ihnen entfernt, wie die tiefste Note eines Klaviers. Diese Tonhöhenverschiebung ist der Doppler-Effekt und spielt in unserem täglichen Leben eine größere Rolle, als Sie vielleicht annehmen.
Der Doppler-Effekt entsteht, wenn sich eine Wellenquelle relativ zum Beobachter bewegt. Diese Bewegung komprimiert die Wellen vor der Bewegungsrichtung der Quelle und dehnt die Wellen dahinter aus. Beispielsweise hat eine schwimmende Ente kurze, dicht beieinander liegende Wellen vor sich, während die Wellen hinter ihr weit voneinander entfernt sind. Obwohl die Wellen in einem gleichmäßigen Puls vom Körper der Ente ausgehen, werden sie durch die Bewegung der Ente zusammengedrückt oder weiter auseinandergezogen. Wenn die Wellen die gegenüberliegenden Ufer erreichen, haben die Wellen, die vor der sich bewegenden Ente entstehen, eine höhere Frequenz und eine kürzere Wellenlänge, während die Wellen dahinter eine niedrigere Frequenz und eine längere Wellenlänge haben.
Das Gleiche gilt für das Beispiel eines Krankenwagens, bei dem Schallwellen durch die Luft wandern und nicht Wellen auf einem See. Für die Krankenwagenfahrer bleibt die Tonhöhe der Sirene unabhängig von ihrer Richtung oder Geschwindigkeit gleich, da sie sich mit der Sirene bewegen. Wenn Sie jedoch vor einem ankommenden Krankenwagen stehen, kommen die Schallwellen näher zusammen und werden auf eine höhere Frequenz komprimiert. Dadurch entsteht die höhere Tonhöhe eines sich nähernden Krankenwagens und die niedrigere Tonhöhe seines Wegfahrens.
Häufige Beispiele für den Doppler-Effekt im wirklichen Leben
Vorbeifahrende Krankenwagen, Züge, Motorräder, Flugzeuge und andere Fahrzeuge sind die deutlichsten Beispiele für den Doppler-Effekt – ihre lauten Motoren und Sirenen klingen höher, wenn sie sich uns nähern, und tiefer, wenn sie sich von uns entfernen, da die von ihren Motoren erzeugten Schallwellen durch ihre Bewegung durch die Luft komprimiert und dann gedehnt werden. (Aus diesem Grund imitieren wir oft das Geräusch eines vorbeifahrenden Motorrads als „Nyoooom!“ mit einer Tonhöhenverschiebung von hoch nach tief.)
Sie können den Doppler-Effekt sogar bei Ihnen zu Hause erleben. Fluginsekten produzieren es ständig, beispielsweise wenn Bienen, Stubenfliegen oder Mücken an Ihrem Ohr vorbeischwirren und eine deutliche Tonhöhenverschiebung bewirken. Vielleicht hören Sie es sogar, wenn kleine Kinder schreiend durch das Haus rennen, denn ihre Stimmen klingen höher, wenn sie auf Sie zulaufen, und tiefer, wenn sie sich wegbewegen.
Der Doppler-Effekt wird für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, indem akustische Wellen wie Schall und elektromagnetische Wellen wie Mikrowellen verwendet werden. Radarpistolen der Polizei nutzen den Effekt, um die Geschwindigkeit eines fahrenden Autos zu berechnen, während automatische Türen ihn nutzen, um Ihre Bewegung zu erfassen. Der Doppler-Effekt wird auch von Geräten zur Messung von Wind und Wetter genutzt. Ultraschallgeräte nutzen den Doppler-Effekt, indem sie Schallwellen in den Körper eines Patienten senden, um die Durchblutung zu messen.
Radarpistolen der Polizei oder automatische Türsensoren verwenden jedoch keine Schallwellen, sondern elektromagnetische Wellen. Dazu gehören alle sichtbaren und unsichtbaren Lichtwellen, die wir zum Sehen, zum Erhitzen unserer Lebensmittel, zum Röntgen von Knochenbrüchen, zum Herstellen einer Verbindung zum Internet und zum Heizen unserer Häuser verwenden. Wir können sie nicht hören, aber elektromagnetische Wellen, die durch den Doppler-Effekt beeinflusst werden, spielen in der praktischen Physik eine große Rolle.
Wie der Doppler-Effekt zur Vermessung des Universums genutzt wird
Wenn der Doppler-Effekt in Schallwellen auftritt, verändert die Verschiebung der Frequenz und Wellenlänge die Tonhöhe, die wir hören. Wenn es im elektromagnetischen Spektrum auftritt, verändert die Verschiebung der Frequenz und Wellenlänge die Farben, die wir sehen. Theoretisch wechselt eine neutrale Lichtquelle, die sich auf Sie zubewegt, zu den höherfrequenten Farben, wie Blau und Violett, während eine Lichtquelle, die sich von Ihnen wegbewegt, zu den Farben mit niedrigerer Frequenz, wie Rot, wechselt. Astronomen bezeichnen diese als Blauverschiebungen bzw. Rotverschiebungen.
Astronomen können diese Farbverschiebungen nutzen, um die Geschwindigkeiten und Richtungen von Himmelsobjekten zu bestimmen, und das Phänomen war der Schlüssel zu Edwin Hubbles Entdeckung der Expansion des Universums. Nachdem Hubble weite Teile des Nachthimmels mit Teleskopen untersucht hatte, stellte er fest, dass ihre Rotverschiebung umso größer ist, je weiter eine Galaxie entfernt ist. Dieser direkte Zusammenhang zwischen Entfernung und Rückzugsgeschwindigkeit legt nahe, dass sich die Raumzeit selbst durchschnittlich ausdehnt.
Unsere Wahrnehmung des elektromagnetischen Spektrums ist auf einen kleinen Lichtbereich beschränkt, der als sichtbares Spektrum bezeichnet wird. Und da sich Licht mit etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet, bewegen sich keine Lichtquellen in unserem täglichen Leben schnell genug, als dass der Doppler-Effekt mit bloßem Auge erkennbar wäre. Schall hingegen bewegt sich durch akustische Schwingungen durch eine Flüssigkeit. Seine Geschwindigkeit in der Luft beträgt typischerweise etwa 767 Meilen pro Stunde, was weitaus langsamer ist und für Menschen mit scharfen Ohren leichter wahrnehmbar ist. Sobald Sie anfangen, auf den Doppler-Effekt zu achten, hören Sie ihn überall.
