Gibt es den Dopplereffekt auch bei Licht?
Hey, ich halte am Freitag einen Vortrag im Fach Physik über den Dopplereffekt. Ich hatte gelesen das es den Dopplereffekt nicht bei Licht gibt aber das man durch den Dopplereffekt herausgefunden hat das unser Universum expandiert weil sich die Farben der Sterne verändert (rot&blau). Könnte mir jemand das leicht erklären? Ich würde die Frage gerne extra in meinen Vortrag einbauen muss aber halt die Antwort wissen und müsste es auch erklären .
7 Antworten
Hallo.
Den Dopplereffekt beim Schall kennst Du sicherlich, das Standardbeispiel ist da die Sirene eines Rettungswagens, die heller klingt wenn der Wagen auf Dich zufährt und dunkler wenn er sich von Dir entfernt. Das liegt daran, dass sich Schallschwingungen durch Luft mit einer festen Geschwindigkeit bewegen, der Rettungswagen sich aber auch bewegt und sich dadurch die (gleich vielen) Schallschwingungen vor dem Rettungswagen auf weniger Raum befinden (und dadurch enger liegen und hochfrequenter sind) als die Schallschwingungen hinter dem Rettungswagen.
Anderes Beispiel: Wenn Du in gleichmäßigem Takt Steinchen in einen See fallen lässt, erzeugst Du gleichmäßige, konzentrische Wellen, eine für jedes Steinchen. Wenn Du die Abwurfstelle der Steinchen aber konstant bewegst, z.B. jedes Mal 20 cm weiter, erzeugst Du in Bewegungsrichtung deutlich mehr Wellen auf gleichem Raum als in der anderen Richtung.
Die Frequenz / Wellenhäufigkeit / Schwingungszahl ist also in Bewegungsrichtung hoch und entgegen der Bewegungsrichtung niedrig.
Auch wenn Licht viele Eigenschaften hat, die es sehr von Schallschwingungen unterscheidet, gilt der Dopplereffekt auch hierbei. Die Wellenlänge bei Licht gibt dabei an, als was für Licht es beim Betrachter wahrgenommen wird. Sehr langwelliges Licht ist das Infrarote, das wir nur als Wärme spüren, dann kommt das sichtbare Lichtspektrum von Rot bis Violett und dann die hochfrequentere ultraviolette Strahlung, die Sonnenbrand verursachen kann. Der Dopplererffekt beim Licht wirkt sich also nicht wie beim Schall in der Tonhöhe, sondern in der Farbe des Lichts aus.
Bewegt sich also eine Lichtquelle sehr schnell auf Dich zu - und Sterne bewegen sich mit ganz schön hoher Geschwindigkeit - kommt das Licht was sie ausstrahlt kurzwelliger bei Dir an als es ausgesandt wurde, es wirkt von der Farbe her also verschoben in Richtung blauviolett (Blauverschiebung). Genau so ist es, wenn sich eine Lichtquelle schnell von Dir entfernt, das von ihr ausgestrahlte Licht kommt langwelliger bei Dir an als es ausgestrahlt wurde, es wirkt von der Farbe her also verschoben in Richtung rot (Rotverschiebung).
Wissenschaftler gehen davon aus, dass es überall im Universum gleich aussieht, dass also bestimmte Typen von Sternen immer im gleichen Spektrum leuchten. Wir können also z.B. von Galaxien ein gewisses Farbspektrum erwarten. Wenn man nun sieht, dass dieses Farbspektrum komplett beispielsweise in Richtung blau verschoben ist, kann man davon ausgehen, dass sich diese Galaxie auf uns zu bewegt.
Übrigens kann man auch bei Galaxien auf die wir seitlich schauen (und keine Scheibe sondern einen Streifen sehen) mit dieser Methode auch bestimmen, in welche Richtung sie sich dreht! Das eine Ende des Streifens erscheint nämlich rotverschoben, das andere blauverschoben.
Eine Anmerkung noch: Es geht hierbei nicht um mit dem Auge sichtbare Verschiebungen, sondern eher um mit Instrumenten messbare. Ein gelb leuchtender Stern müsste sich mit einer Irrsinnsgeschwindigkeit auf uns zu bewegen, um grün oder sogar blau zu erscheinen.
Zum Thema 'die Rotverschiebung gibt es nicht' kann ich dieses Video von Harald Lesch empfehlen: http://www.ardmediathek.de/tv/alpha-Centauri/Wird-Licht-m%C3%BCde/ARD-alpha/Video?bcastId=14913006&documentId=28290992
Ich hoffe, das war hilfreich.
Viel Erfolg!
(Edit: Ich hatte im vorletzten Absatz versehentlich "um orange oder sogar rot zu erscheinen" geschrieben. Bei einem Stern, der sich auf uns zu bewegt, muss es natürlich "um grün oder sogar blau zu erscheinen" heißen. Danke an Fragezeichen481 für die Anmerkung!)
Ein gelb leuchtender Stern müsste sich mit einer Irrsinnsgeschwindigkeit auf uns zu bewegen, um orange oder sogar rot zu erscheinen.
Müsste er sich nicht über grün Richtung blau entwickeln, wenn er sich auf uns zu bewegt?
Hoppla, das stimmt! Da habe ich mich leider vertan. Danke für die Korrektur!
Hallo zockerinnnn,
Ich hatte gelesen das es den Dopplereffekt nicht bei Licht gibt
Das kann nicht auf einer physikalisch seriösen Seite gewesen sein.
Denn ja, selbstverständlich gibt es den Dopplereffekt bei Licht.
Hier ist das samt Formeln sehr anschaulich erklärt:
https://www.leifiphysik.de/optik/wellenmodell-des-lichts/dopplereffekt
Licht kann man als elektromagnetische Welle einer bestimmten Wellenlänge beschreiben.
Bewegt sich die Lichtquelle auf den Betrachter zu, dann führt das wie beim akustischen Dopplereffekt (also bei Schallwellen), wenn auch aus einem anderen Grund, zu einer Verkürzung der Wellenlänge. Bewegt sich die Lichtquelle vom Betrachter weg, dann führt das entsprechend zu einer Verlängerung der Wellenlänge.
Weil am kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektrums das blaue Licht liegt, spricht man bei einer Verkürzung der Wellenlänge davon, das Licht werde "blauverschoben". Weil am langwelligen Ende des sichtbaren Spektrums das rote Licht liegt, spricht man hier davon, das Licht werde bei einer Vergrößerung der Wellenlänge rot verschoben.
das man durch den Dopplereffekt herausgefunden hat das unser Universum expandiert weil sich die Farben der Sterne verändert (rot&blau).
Richtig. Das war Edwin Hubble.
Chemische Elemente haben ganz charakteristische Linienspektren. Das heißt, sie senden nicht bei allen möglichen Wellenlängen Licht aus, wie das im weißen Sonnenlicht der Fall ist, sondern nur bei einzelnen, ganz typischen Wellenlängen.
In den Spektren der Sterne sehen wir die Linien der chemischen Elemente, die in den Atmosphären der Sterne vorhanden sind, hauptsächlich die Wasserstofflinien Hα, Hβ, Hγ,... also die Balmerserie. (Ich hoffe, Ihr habt diese Begriffe im Unterricht schon mal gehört, sonst müsstest Du noch mal nachfragen oder die Begriffe googeln.)
Bewegt sich jetzt ein Stern von uns weg, dann sehen wir diese Linien der Balmerserie nicht bei den Wellenlängen, die wir hier im Labor messen, sondern bei längeren Wellenlängen... und zwar verschoben eben nach der Dopplerformel aus dem Link.
Man kann also das Spektrum eines Sternes aufnehmen und gucken, bei welchen Wellenlängen die Spektrallinien im Vergleich zu den Linien ruhender Atome im Labor liegen. Und dann kann man ausrechnen, dass und wie schnell sich der Stern von uns wegbewegt.
Entsprechend könnte man auch sehen, dass und wie schnell sich ein Stern auf uns zu bewegt, wenn die charakteristischen Linien zu kürzeren Wellenlängen verschoben wären.
Ungefähr klar?
Wie wird jetzt daraus eine Information über die Ausdehnung des Universums?
Auch im Licht von Sternen entfernter Galaxien finden wir diese typischen Spektrallinien und können wie eben beschrieben daraus erkennen, ob sich die Galaxie von uns wegbewegt oder auf uns zu kommt und wie schnell das passiert.
Nun entdeckte Edwin Hubble in den 1920ern etwas recht Merkwürdiges: Das Licht, das uns von fernen Galaxien erreicht, erscheint außer bei den allernächstgelegenen Galaxien ausnahmslos rotverschoben; das heißt, dass im Licht, das wir von diesen Galaxien in unseren Teleskopen einfangen, diese Spektrallinien nicht mehr bei den Wellenlängen liegen, wie wir sie hier im Labor messen, sondern in Richtung rotem Licht, zu längeren Wellenlängen hin verschoben.
Das war überraschend, denn wenn das Weltall statisch (also unveränderlich) ist, dann wäre hier eine zufällige Verteilung zu erwarten gewesen: Dass sich also einige Galaxien auf uns zu bewegen, einige sich von uns weg bewegen.
Hubble setzte aber noch eins drauf:
Seit etwa 1920 war es nämlich zusätzlich erstmals möglich, einzelne Sterne in uns nahe gelegenen Galaxien im Teleskop aufzulösen (also "einzeln zu beobachten") und wirklich einzeln zu untersuchen. Über diese Messungen gelang es die Entfernung zu diesen Sternen und damit zu diesen Galaxien zu bestimmen. Zur Entfernungsmessung dient dabei eine ganz bestimmte Klasse veränderlicher Sterne, also Sterne, deren Helligkeit mit der Zeit periodisch schwankt. Bei diesen "Cepheiden" konnte man zeigen, dass ihre Helligkeit in einer festen Beziehung zur Periode der Helligkeitsschwankung steht. Misst man also die Periode und die bei uns noch ankommende Helligkeit, kann man daraus die Entfernung bestimmen.
Hubble konnte nun also 2 Dinge in den fernen Galaxien messen: Einmal, wie weit die jeweilige Galaxie weg war... und ob und wie schnell sie sich von uns weg bewegt.
Zu seiner Überraschung ergab sich ein linearer Zusammenhang: Je weiter eine Galaxie von uns weg ist, desto größer ist ihre Rotverschiebung.
So sah Hubbles Grafik damals aus:
Bis heute hat man übrigens sehr viel weiter entfernte Galaxien auf die selbe Weise vermessen... und sie passen immer noch in diese von Hubble entdeckte Gesetzmäßigkeit.
Lemaître erkannte damals als erster, dass diese Messung bedeutet, dass sich alle Galaxien (außer den wirklich allernächsten wie der Andromeda) von uns entfernen und dies eben ums schneller, je weiter sie schon von uns weg sind. Und das deutete er als erster als Expansion des Raumes und damit des ganzen Universum.
Das Bild ist, dass die Galaxien eingebettet sind in einen sich ausdehnenden Raum und deshalb von uns weggetragen werden. Du kannst Dir das vielleicht veranschaulichen, wenn Du mit einem Graphikprogramm ein Bild mit ein paar Punkten malst, dieses ausdruckst, es dann aber vergrößerst und noch einmal ausdruckst. Wenn Du dann beide Blätter übereinander gegen das Licht hälst, wirst Du feststellen, dass es, egal welchen Punkt Du in beiden Ausdrucken übereinander legst, immer so aussieht, als würden sich alle Punkte genau in der beobachteten Weise (je weiter weg desto schneller) von diesem Punkt wegbewegen.
Unser Universum dehnt sich also aus - es entsteht neuer Raum zwischen den Galaxien. Aus der Beobachtung, dass unser beobachtbares Universum aber heute größer ist als gestern, folgt logisch, dass es gestern kleiner war... und vorgestern noch kleiner. Und diese Überlegung führte zwangsweise auf die Idee des Urknalls, also eines heißen, dichten Anfangszustandes, aus dem sich das Universum durch Expansion entwickelt.
Ungefähr klar?
Grüße
Natürlich gibt es den Dopplereffekt bei Licht. Entfernt man sich von der Lichtquelle, sinkt für den Betrachter die Frequenz (längere Wellen), was zu einer Rotverschiebung führt. Eine Annäherung an die Lichtquelle bewirkt das Gegenteil, Blauverschiebung durch höhere Frequenz.
Streng genommen sind es unterschiedliche Phänomene, die zum gleichen Effekt führen, nämlich der zeitlichen Stauchung oder Dehnung eines Signals bei Veränderungen des Abstands zwischen Sender und Empfänger.
Beim klassischen Doppler-Effekt mit Schallwellen addieren sich Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und Bewegung des Senders. Beim relativistischen Doppler-Effekt mit Licht ist die Lichtgeschwindigkeit konstant, aber die Zeitdilatation schlägt zu. In der Astronomie ist die Rotverschiebung dadurch verursacht, dass sich die gesamte Raumzeit ausdehnt.
Ich hatte gelesen das es den Dopplereffekt nicht bei Licht
Wo denn?
IMHO existiert der Dopplereffekt auch bei Lichtquellen. Zumindest hatte ich mal entsprechende Klausuraufgaben, und das mit der Rotverschiebung bzgl der Sterne klingt auch sehr danach. :)
Wunder schöne Erklärung. hätte man nicht besser machen können.