Efecte Doppler

L'efecte Doppler és el canvi de freqüència aparent d'una ona produït pel moviment relatiu de la font respecte al seu observador.^[1][2] Aquest fenomen es va anomenar en honor del físic austríac Christian Andreas Doppler, qui el va descriure el 1842. El nom efecte Doppler-Fizeau es reserva per a les ones electromagnètiques.

El motiu de l'efecte Doppler és que quan la font de les ones es desplaça cap a l'observador, cada cresta d'ona successiva s'emet des d'una posició més propera a l'observador que la cresta de l'ona anterior i, per tant, cada ona triga una mica menys en arribar a l'observador que l'ona anterior, de manera que es redueix el temps entre l'arribada de successives crestes d'ona a l'observador, provocant un augment de la freqüència.^[3] Mentre viatgen, la distància entre els fronts successius d'ones es redueix, de manera que les ones «s’agrupen». Per contra, si la font d'ones s’allunya de l’observador, cada ona s’emet des d’una posició més allunyada de l’observador que l’ona anterior, de manera que el temps d’arribada entre ones successives augmenta, reduint la freqüència. Mentre viatgen, s’incrementa la distància entre els successius fronts d'ona, de manera que les ones «s’estenen».

Hi ha exemples quotidians de l'efecte Doppler en què la velocitat a la qual es mou l'objecte que emet les ones és comparable a la velocitat de propagació d'aquestes ones. La velocitat d'una ambulància (50 km/h) pot semblar insignificant respecte a la velocitat del so al nivell de la mar (uns 1235 km/h), però, es tracta d'aproximadament un 4% de la velocitat del so, fracció prou gran com per provocar que s'apreciï clarament el canvi del so de la sirena des d'un to més agut a un de més greu, just en el moment en què el vehicle passa a la vora de l'observador.

• 
  Efecte Doppler produït per un vehicle en moviment

En el cas de l'espectre visible de la radiació electromagnètica, si l'objecte s'allunya, la seva llum es desplaça a longituds d'ona més llargues, produint-se un desplaçament cap al roig. Si l'objecte s'apropa, la seva llum presenta una longitud d'ona més curta, desplaçant cap al blau. Aquesta desviació cap al vermell o el blau és molt lleu fins i tot per a velocitats elevades, com les velocitats relatives entre estrelles o entre galàxies, i l'ull humà no pot captar-lo, només mesurar-lo indirectament utilitzant instruments de precisió com espectròmetres. El fet que el desplaçament cap al vermell sigui més pronunciat en les galàxies més llunyanes va ajudar a formular la teoria de l'expansió de l'univers i del big-bang.^[1]

• 
  Desplaçament cap al roig o cap al blau en funció del moviment relatiu entre l'objecte emissor i l'observador
• 
  El mètode de la velocitat radial per detectar exoplanetes es basa en el efecte Doppler
• 
  Imatge del telescopi espacial Hubble, on es pot veure de desplaçament cap al roig de les galàxies llunyanes.

Si l'objecte emissor es mogués a fraccions significatives de la velocitat de la llum, sí seria apreciable de forma directa la variació de longitud d'ona.

Per a ones que es propaguen en un medi, com ara les ones sonores, la velocitat de l'observador i de la font és relativa al medi en què es transmeten les ones.^[2] Per tant, l'efecte Doppler total pot resultar del moviment de la font, del moviment de l'observador o del moviment del medi. Cadascun d’aquests efectes s’analitza per separat. Per a ones que no necessiten un medi, com la llum o la gravetat en la relativitat general, només cal tenir en compte la diferència de velocitat relativa entre l'observador i la font.