Nieliniowy efekt Dopplera

Nieliniowy efekt Dopplera

Fizyk eksperymentalny, prof. Thomas Zentgraf i jego dwaj koledzy z University of Birmingham, dr Guixin Li i prof. Shuang Zhang, po raz pierwszy udowodnili doświadczalnie istnienie nieliniowego (obrotowego) efektu Dopplera światła – prawie 50 lat po tym, jak został przewidziany teoretyczne przez holenderskiego laureat nagrody Nobla Nicolaasa Bloembergena.

Akustycznego efektu Dopplera można doświadczyć na co dzień w świecie rzeczywistym: Dźwięk syreny karetki jest wyższy, gdy pojazd się zbliża i niższy – gdy się oddala. Dzieje się tak ze względu na zmianę długości fali fal dźwiękowych, które są prasowane albo rozciągane w trakcie przemieszczania źródła dźwięku. Efekt dotyczy wszystkich rodzajów fal, w tym fal świetlnych. Podobnie jak gwiazda oddala się od ziemi, jej fala emitowanego światła rozciąga się (zwiększa długość i światło staje się bardziej czerwone), tworząc tak zwane przesunięcie ku czerwieni.

Odwrotnie, fala świetlna emitowana z gwiazdą zbliżającego do Ziemi będzie „ściskana” co powoduje przesunięcie ku fioletowi. W 1842 roku, austriacki fizyk Christian Andreas Doppler przewidział ten efekt optyczny w swoim referacie „O kolorowym świetle gwiazd podwójnych i niektórych innych gwiazd na niebie” i przedstawił to zjawisko do Królewskiego Czeskiego Towarzystwa Nauk w Pradze. Trzy lata później, holenderski fizyk Christoph H. D. Buys-Ballot obserwowali akustyczny efekt Dopplera w spektakularny eksperyment. Używał najszybsze narzędzie transportu w tym czasie-kolei. Muzyk grał na trąbce na jadącego wagonu podczas muzyków stojących obok toru słuchał dźwięków grał. Przemieszczenie boisku w tonów słuchały, jak pociąg mijał jest równoznaczne z przewidywaniami na kolor przesunięcia Dopplera światła.

Dziś, efekt Dopplera umożliwił szereg osiągnięć technologicznych takich jak pomiar prędkości za pomocą kamer drogowych, GPS i ultradźwiękowy pomiar prędkości przepływu krwi. Ponadto, efekt Dopplera odgrywa kluczową rolę w takich ważnych zjawisk kwantowych jak poszerzenie linii widmowych i wyłapywania i chłodzenia atomów światłem lasera.

Oprócz znanego efektu Dopplera dla ruchów translacyjnych, znany jest również obrotowy efekt Dopplera dotyczący ruchu obrotowego przedmiotów. Efekt ten prowadzi do zmiany długości fali, w zależności od prędkości obrotowej, i może być stosowany do pomiaru częstotliwości obrotowej zawirowań powietrza, molekuł i obiektów kosmicznych.

doppler

W 1968 roku, kilka lat po wynalezieniu lasera, nowy rodzaj efektu Dopplera został przewidziany przez laureata Nobla Nicolaasa Bloembergena dla obracających się obiektów w wiązce światła laserowego o wysokim natężeniu. Trzeba było czekać prawie 50 lat, aby pokazać ten efekt w laboratorium.

Ponieważ obrotowy efekt Dopplera jest zjawiskiem relatywistycznym jest go bardzo trudno zauważyć bezpośrednio, gdyż zmiana długości fali jest niewielka dla małych prędkości obrotowych w porównaniu z prędkością światła. Wystarczy powiedzieć, że zmiana długości fali wynosi bilionowe części długości całkowitej. Nawet w warunkach laboratoryjnych, taka mała zmiana długości fali nie może być zmierzona bezpośrednio. Z tego powodu użyto triku polegającego na interferencji dwóch fal świetlnych. Gdy jedna z nich zmieniła nawet nieznacznie swoją długość, w wyniku interferencji powstały prążki będące w istocie miejscami, gdzie nakładające się fale wzmacniają się bądź osłabiają. Mierząc odległości między prążkami interferencyjnymi można łatwo wyznaczyć różnice długości obu fal i tym samym sprawdzić czy przewidywania teoretyczne dotyczące nieliniowego efektu Dopplera są prawidłowe.

Jesteśmy bogatsi o nową metodę pomiaru tego niewyobrażalnie słabego efektu, która może może znaleźć szerokie zastosowanie w badaniach nad turbulencjami, plazmy i ruchu obrotowego cząsteczek.

Odpowiedz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *