ظاهرة دبلر Doppler Effect
ظاهرة دبلر في النظرية النسبية تنص على ان المراقب يلاحظ انزياح في ترددات الأمواج الكهرومغناطيسية نتيجة لحركة مصدر الأمواج بالنسبة للمراقب. ويكون اتجاه الانزياح معتمدا على العلاقة بين اتجاه انتشار الأمواج الكهرومغناطيسية والمراقب فاما ان يكون مبتعدا أو مقتربا منها. ويعتمد مقدار الانزياح على مقدار السرعة فكلما كانت السرعة كبيرة كلما كان الانزياح اكبر.
ولفهم ظاهرة دبلر فانه من الأفضل ان ندرسها على الأمواج الصوتية، والتي نلحظها بسهولة عندما يتحرك مصدرا صوتيا بالنسبة لنا فمثلا إذا كان هناك سيارة إسعاف تتحرك بسرعة فان صوت التنبه الصادر عنها يكون تردده مرتفعا إذا كانت السيارة مقتربة منا ويقل تردد الصوت بابتعادها عنا. هذا التغير في التردد للموجات الصوتية في المصادر المتحركة مثل سيارة الإسعاف أو سيارة الشرطة أو في القطارات السريعة عندما تطلق زامور التنبيه فهذا التغير يعرف بظاهرة دبلر. ولمزيد من المعلومات حول هذه الظاهرة يمكنك الاطلاع على هذه المحاضرة.
وبنفس الطريقة تحدث ظاهرة دبلر على الضوء (الأشعة الكهرومغناطيسية electromagnetic radiation) وسوف نوضح هذه الظاهرة بالاستعانة بالشكل أدناه.
في الجزء العلوي من الشكل أعلاه نلاحظ مصدرا صوتيا ثابتا (القطار) يصدر صوتا مرتفعا في جميع الاتجاهات. وفي الجزء الثاني من الشكل نلاحظ ان المصدر الصوتي(القطار) يتحرك إلى اليمين والأمواج الصوتية مزاحة، فإذا كانت المسافات بين الحلقات (جبهات الموجات) تمثل الطول ألموجي فإننا نلاحظ انه في الحالة الأولى ان الأطوال الموجية في جميع الاتجاهات متساوية ولكن في الحالة الثانية عندما يتحرك المصدر الصوتي تصبح أطوال الموجات اقصر في الجزء الأمامي المقترب من المراقب على يمين القطار وتكون الأطوال الموجية أطول خلف المصدر الصوتي بالنسبة للمراقب على يسار القطار.
إذا كان المراقب يتحرك مقتربا من المصدر الصوتي أو إذا كان المصدر الصوتي يتحرك مقتربا من المراقب فان تردد الموجات الضوئية سوف تزداد والعكس صحيح أي عندما يكون المصدر الصوتي مبتعدا عن المراقب أو ان المراقب يتحرك مبتعدا عن المصدر الصوتي فان تردد موجات الصوت سوف تقل وهذا ما يظهره الشكل الثاني في حالة تقارب الحلقات أمام المصدر أو تباعدها خلفه وكل حلقة تمثل جبهة الموجة.
ولان سرعة الصوت اقل بكثير من سرعة الضوء فإننا نلاحظ هذه الظاهرة في حياتنا اليومية في أي مصدر صوتي متحرك بسرعة بالنسبة لنا. وظاهرة دبلر معروفة قبل النظرية النسبية وولها استخدامات عديدة.
بعد ان وضع نظريته النسبية أصبحت ظاهرة دبلر تعرف باسمين هما ظاهرة دبلر الكلاسيكية (في حالة الأمواج الصوتية) وظاهرة دبلر النسبية (في حالة الأمواج الكهرومغناطيسية)، ولان سرعة الضوء كبيرة جدا فان أي مصدر متحرك تكون سرعته مهلة بالنسبة لسرعة الضوء، ولذلك لم يفكر احد في ان يكون هناك انزياح في ترددات الضوء نتيجة للسرعة كما في الصوت، وبالطبع لا يمكن مثلا ان نثبت مصباح ضوء اخضر اللون وعند قيادة السيارة بسرعة كبيرة نراه قد انزاح ناحية لون أخر مثل الأحمر، كما انه لا يمكن لمراقب مسرع ان يلاحظ ان ضوء إشارة المرور الأخضر قد تحول إلى احمر مهما بلغت سرعته، فهذا أمرا مفهوما لان سرعاتنا التي نستخدمها مهملة بالنسبة لسرعة الضوء لذلك فان ظاهرة دبلر لم تكن مطبقة على الضوء قبل النظرية النسيبة، ولكن العالم اينشتين أدرك انه لابد ان تكون هناك انزياح في ترددات الضوء عندما يكون مصدره متحرك بالنسبة للمراقب وبالطبع لم بقيت هذه الفرضية قائمة بدون إثبات عملي لها.
ولإثبات ان ظاهرة دبلر مطبقة على الضوء فانه يجب ان يرصد المراقب الثابت بالنسبة للمصدر الضوئي التردد الأصلي ويرصد المراقب المتحرك بالنسبة للمصدر تردد مختلف.
لنفرض إننا قمنا بقياس التردد الأصلي للمبة الصوديوم في المختبر (اللمبة التي تستخدم لإنارة الطرق في الليل والتي يكون الضوء المنبعث عنها بين الأصفر والبرتقالي). فإذا ما ثبتت اللمبة على مركبة فضائية مبتعدة عنا بسرعة قريبة من سرعة الضوء فإن ترددها المقاس سوف يكون اصغر من التردد الأصلي ويكون لون الضوء المنبعث في هذه الحالة قريبا من اللون الأحمر. أما إذا كانت المركبة الفضائية مقتربة منا فإن الضوء المنبعث عنها يكون ذو لون ازرق وهذا يعود إلى ان التردد المعدل اكبر من التردد الأصلي.
إذا كان المصدر مبتعد عنا فإن التردد المقاس يكون اقل من التردد الأصلي ويحدث ما يسمى بالانزياح ناحية الأحمر Red Shift أي يزاح اللون ناحية الترددات الأقل.
وإذا كان المصدر مقترباً منا فإن التردد المقاس يكون اكبر من التردد الأصلي ويحدث ما يسمي بالانزياح ناحية الأزرق Blue Shift أي يزاح اللون ناحية الترددات الأعلى.
ولقد جاء الإثبات العلمي لظاهرة دبلر مؤكدة على صحة النظرية النسبية وذلك من قبل العالم أدوين هابل Edwin Hubble في العام 1929 برصده لنجم الكويزار Quasar وهو نجم بعيد جداً يبتعد عنا بسرعة كبيرة ومن المعروف ان الضوء الصادر عن النجوم هو ينتج عن الاندماج النووي لذرات الهيدروجين فإذا كنا نعرف طيف الهيدروجين في المختبر فان طيف الهيدروجين المنبعث من نجم الكويزار يجب ان يكون نفسه بدون أي تغير لان الطيف يعتمد على مستويات الطاقة لذرة الهيدروجين وبالفعل تم رصد هذا الطيف ولكن وجد انه مزاحا ناحية الأحمر.
على الجانب الأيسر طيف ذرة الهيدروجين كما قيس في المختبر وعلى الجانب الأيمن طيف ذرة الهيدروجين كما رصد من الضوء القادم من نجم الكويزار
وبإعادة القياسات والتحقق من دقة أجهزة المطاف لم يكن هناك أي خلل تقني يسبب في انزياح طيف ذرة الهيدروجين على النجم المتحرك بسرعة ولكن بتطبيق معادلات ظاهرة دبلر في النظرية النسبية (سيتم ذكرها في دراسة متخصصة حول النظرية النسبية) تبين ان هذا الانزياح هو نفسه الذي اكتشفه العالم اينشتين كأحد نتائج النظرية النسبية واعتبر هذا دليلا أخر على دقة النظرية النسبية والتي استخدمها العالم هابل في حساب سرعة النجم والذي كان يتحرك بسرعة كبيرة جدا مبتعدا عنا لان الانزياح كان ناحية الأحمر ومنها أدرك العلماء ان الكون يتمدد بسرعة كبيرة جدا ومن هنا جاءت نظرية الانفجار العظيم Big Bang لتفسير كيف بدأ الكون والتي وضعها العالم هابل في عام 1929 .
في الحلقة القادمة سوف نتحدث عن معضلة التوأم.
إلى اللقاء
د. حازم فلاح سكيك
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 1
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 2
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 3
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 4
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 5
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 6
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 7
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 8
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 10
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتاين 11
كيف تعمل النظرية النسبية الخاصة لاينشتين 12
