Yanımızdan hızla ambulans geçerken siren sesinin nasıl değiştiğini hepimiz duymuşuzdur. Yaklaşan bir sirenin perdesi yükselir, araç uzaklaşırken de düşer. Sesin tonundaki bu değişim aslında Doppler etkisi için verilen klasik bir örnektir.
Her türlü dalga türü için geçerli olan Doppler etkisi gökbilim hesaplamalarında da aktif olarak kullanılmaktadır. Tüm bunlar 1842’de Avusturyalı matematikçi ve fizikçi Christian keşfettiği bir fizik kuralı sayesinde mümkün olmuştur. Doppler zamanında buluşunun gelecek kuşakların işine yarayacağını öngörmüş olsa da bu kadarını muhtemelen kendisi de düşünememiştir.
Doppler Etkisi Nedir?
Doppler etkisi, dalga kaynağı ile gözlemci arasında göreli hareket olduğunda bir dalganın gözlenen frekansındaki değişimi tanımlar. Neden oluştuğunu açıklamak için, dalga hareketinin birkaç temel özelliğiyle başlamamız gerekir. Dalgalar çeşitli biçimlerde hayatımızda yer alır. Her türlü dalga hareketini tanımlamak için kullanılan ortak özelliklerden ikisi dalga boyu ve frekanstır.
Dalganın tepe ve çukurlara sahip olduğunu düşünürseniz, dalga boyu ardışık tepeler arasındaki mesafedir ve frekans belirli bir zaman aralığında bir referans noktasından geçen tepelerin sayısıdır.
Dalgaların nasıl hareket ettiğini düşünmemiz gerektiğinde, dalga cephesi terimini kullanırız. Şimdi her yöne sabit bir frekansta dalgalar yayan sabit bir kaynak düşünün. Kaynaktan gelen dalga cephelerinin şekli, bir dizi eş merkezli, eşit aralıklı çember olur. Kaynağın yakınında hareketsiz duran herhangi bir kişi, her dalga cephesiyle, yayıldığı frekansla karşılaşacaktır.
Ancak dalga kaynağı hareket ederse, dalga cephelerinin deseni farklı görünür ve sonuç artık eş merkezli çemberler değildir. Dalga cepheleri, kaynak hareket ederken önünde birbirine yakınlaşacak ve arkasında uzaklaşacaktır.
Bu durumda hareket eden kaynağın önünde duran bir kişi, kaynak kendisine doğru hareket ettikçe, daha yüksek bir frekans gözlemleyecektir. Tersine, kaynağın arkasındaki biri, kaynak ondan uzaklaştıkça daha düşük bir dalga tepe frekansı gözlemler.
Kaynak hareketsizse ve gözlemci ona doğru veya ondan uzağa hareket ediyorsa da frekansta benzer bir değişiklik meydana gelir. Aslında ikisi arasındaki herhangi bir bağıl hareket Doppler etkisine neden olacaktır.
Peki neden geçen sirenlerde perde değişimi duyarız? Duyduğumuz perde, ses dalgasının frekansına bağlıdır. Yüksek bir frekans, yüksek bir perdeye karşılık gelir. Yani siren sabit frekanslı dalgalar üretirken, bize yaklaştıkça gözlemlenen frekans artar ve kulağımız daha yüksek bir perde duyar.
Yanımızdan geçip uzaklaştıktan sonra, gözlemlenen frekans ve perde düşer. Siren’in gerçek perdesi, bize yaklaşırken duyduğumuz perde ile hızla uzaklaşırken duyduğumuz perde arasında bir yerdedir.
Doppler Etkisi Sayesinde Gezegenleri Doğasını Keşfedebiliriz
Işık dalgaları için frekans, gördüğümüz rengi belirler. Işığın en yüksek frekansları, mavi ucundadır. En düşük frekanslar bu spektrumun kırmızı ucunda ortaya çıkar.
Yıldızlar ve galaksiler bizden uzaklaşıyorsa, yaydıkları ışığın görünür frekansı azalır ve renkleri spektrumun kırmızı ucuna doğru hareket eder. Dalga boyundaki bu tip artışlara kırmızıya kayma denir, çünkü kırmızı gözle görünen spektrumun en sonunda yer alan, en uzun dalga boyudur.
Benzer şekilde dalga boylarında oluşan azalmaya da maviye kayma denilmektedir. Kırmızıya kayma ve maviye kayma kavramı, Doppler etkisi ile yakından ilişkilidir. Bu fenomen, Christian Doppler’in ilk olarak kendi adını taşıyan etkisini belgelemesine izin vermiştir.
Gökbilimciler, galaksimizin hareketini belirlemek için kırmızıya kaymayı kullanabilirler. Evrenimizde en az üç farklı türde kırmızıya kayma gözlemlenmiştir.
- Tip I kırmızıya kayma, galaksilerin komşu galaksilere göre hareketinden kaynaklanır.
- Tip II, kırmızıya kaymanın en yaygın şeklidir. İki sabit cisim arasındaki boşluğun genişlemesi nedeniyle gözlenir.
- Tüm kırmızıya kayma çeşitlerinin en inceliklisi ise Tip III olarak bilinir. Büyük cisimlerden gelen yerçekimi kuvvetleri ışığın hafifçe bükülmesine neden olur. Bu da gelen ışığın yörüngesini çarpıtarak gözlenen ışığın dalga boyunda bir değişiklik oluşturur. Yerçekiminin ışık üzerindeki etkisinin doğrulanması, Einstein’ın genel görelilik teorisinin doğrulanmasına da yardımcı olmuştur.
Doppler Etkisi Gündelik Hayatta Ne İşe Yarar?
Doppler etkisinin ses efektleri ve astronominin ötesinde birçok ilginç uygulaması vardır. Örneğin polis radarları, Doppler etkisini ölçerek aşın hız yapan araçları tespit etmektedir.
Polis radarı yaklaşmakta olan araca bir radyo dalgası gönderir. Sonrasında da arabadan yansıyarak dönen dalga boyundaki değişimi ölçer. Arabadan dönen dalga boyu ne kadar artarsa arabanın hızı ve sürücüye kesilen ceza da o kadar yüksek olur.
Tıbbi görüntüleme de, damarlardaki kan akışını izlemek için, Doppler etkisinden de yararlanır. Doppler ultrason, yüksek frekanslı ses dalgalarını kullanır. Kan pıhtıları, tıkanmış arterler ve kalp fonksiyonu hakkında bilgi sağlamak için kan akışının hızını ve yönünü ölçmemize olanak tanır.
Doppler etkisini anlamamız, parçası olduğumuz evren hakkında daha fazla bilgi edinmemize, etrafımızdaki dünyayı ölçmemize ve kendi bedenlerimizin içine bakmamıza olanak sağladı. Bu bilginin gelecekteki gelişimi, bir zamanlar yalnızca bilim kurgu romanlarında okunan teknolojinin ortaya çıkmasına da yol açabilir.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- David D. Nolte; The fall and rise of the Doppler effect. Physics Today 1 March 2020; 73 (3): 30–35. https://doi.org/10.1063/PT.3.4429
- Redshift and blueshift: What do they mean?; Yayınlanma tarihi: 14 Ocak 2022; Bağlantı: https://www.space.com/25732-redshift-blueshift.html
- Explainer: the Doppler effect. Yayınlanma tarihi: 3 Temmuz 2012. Kaynak site: Conversation. Bağlantı: Explainer: the Doppler effect
Matematiksel
