დოპლერის ეფექტი

 ყველას მოგვისმენია სპეცსიგნალებით მოძრავი მანქანის ხმა. სანამ მანქანა გვიახლოვდება, სირენის ტონი მაღალია, შემდეგ დაბლდება, დაშორებასთან ერთად კიდევ უფრო დაბალი ხდება და ნაცნობი: იიიიიეეეეეეააააააააოოოოოუუუუუუუუ – ბგერათა დაახლოებით ასეთი რიგი გამოდის . ალბათ არც გიფიქრიათ, რომ ასეთ მომენტებში თქვენ, ტალღების უფუნდამენტურესი (და სასარგებლო) თვისების მომსწრე ხდებით.

 ტალღა – ძალიან უცნაურა რამაა. გაიხსენეთ ზღვის ნაპირთან ახლოს მოტივტივე ცარიელი ბოთლი. ის ნაპირთან მოახლოების გარეშე ზევით ქვევით მოძრაობს, მაშინ როცა წყალი, თითქოს ნაპირისკენ მორბის. სინამდვილეში წყალიც და ბოთლიც ადგილზე რჩება და წყალსატევის პერპენდიკულარულად მოძრაობს. სხვანაირად რომ ვთქვათ, სივრცის მოძრაობა, რომელშიც ტალღა ვრცელდება, არ შეესაბამება ამ ტალღების მოძრაობას. ყოველ შემთხვევაში, ფეხბურთის მოყვარულებმა ეს კარგად იციან და ხშირად უშვებენ ხოლმე „ტალღებს“ სტადიონზე ყოფნის დროს, თვითონ ამ დროს არსად მიდიან, მხოლოდ დგებიან და ისევ ჯდებიან ხოლმე, თვითონ ტალღა კი ტრიბუნის გარშემო გარბის.

 ტალღების აღწერა მათი სიხშირით ხდება (ტალღური პიკების რიცხვი წამში) ან სიგრძით (მანძილი ორ პიკს ან ჩავარდნას შორის გრაფიკზე). ეს ორი მახასიათებელი, გარემოში ტალღის გავრცელების სიჩქარით არის დაკავშირებული ერთმანეთთან, ამიტომ,  ვიცით რა ტალღის გავრცელების სიჩქარე და რომელიმე ერთი ძირითადი მახასიათებელი, მეორეს გაგებაც ადვილია.

 ტალღის გაჩენასთან ერთად, მისი გავრცელების სიჩქარე მხოლოდ იმ გარემოს თვისებებით განისაზღვრება, რომელშიც ვრცელდება იგი – ტალღის წყარო კი არანაირ როლს აღარ თამაშობს. წყლის ზედაპირზე გაჩენილი ტალღები წნევის, ზედაპირული დაჭიმულობისა და გრავიტაციის ძალების ზემოქმედების ქვეშ ვრცელდება, ხოლო აკუსტიკური ტალღები ჰაერში (ან სხვა ხმა გამტარ გარემოში), მიმართული წნევათა ცვლილების ძალით. არც ერთი ასეთი მექანიზმით გაჩენილი ტალღის გავრცელება არ არის დამოკიდებული ტალღის წყაროზე. აქედან მიიღება დოპლერის ეფექტი.

 კიდევ ერთხელ განვიხილოთ სირენებიანი მანქანის მაგალითი. დასაწყისისთვის წარმოვიდგინოთ, რომ სპეცმანქანა გაჩერებულია. სირენის ხმა ჩვენამდე იმიტომ აღწევს, რომ მისი დრეკადი მემბრანა პერიოდულად ზემოქმედებს ჰაერზე, მასში შეკუმშვათა მიმდევრობებს ქმნის – მაღალი და დაბალი წნევების მიმდევრობებს. შეკუმშვის პიკები – აკუსტიკური ტალღის ქიმები – ვრცელდება გარემოში (ჰაერში), აღწევს ჩვენი ყურის დოლურამდე და ზემოქმედებს მასზე, ამ უკანასკნელისგან კი სიგნალი ტვინს გადაეცემა. ჩვენს მიერ აღქმული ბგერების სიხშირეს, ტრადიციულად, ტონს ან ხმის სიმაღლეს ვუწოდებთ: მაგალითად, 440 ჰერციანი რხევათა რიცხვი შეესაბამება „ლა“-ს. ხოდა, სანამ სპეცმანქანა ადგილზე დგას, მისგან მომავალი სირენის ხმის ტონი უცვლელი რჩება.

 დაიძვრება თუ არა მანქანა თქვენი მიმართულებით, ხმას ახალი ეფექტი დაემატება. ტალღის ერთი პიკის გამოშვების განმავლობაში, თქვენი მიმართულებით მოძრაობისას, მანქანა რაღაც მანძილის გავლას ასწრებს. ამის გამო ყოველი შემდეგი ბგერის წყარო სულ უფრო ახლოს და ახლოს იქნება. შედეგად ტალღები ჩვენს ყურამდე უფრო ხშირად მოაღწევს, ვიდრე იქამდე, სანამ მანქანა ადგილზე იდგა, ამიტომ ხმის სიმაღლეც გაიზრდება. და პირიქით, თუ მანქანა საწინააღმდეგო მიმართულებით წავა, აკუსტიკური ტალღის პიკების სულ უფრო მცირე და მცირე რაოდენობა მოაღწევს თქვენს ყურამდე, ანუ აღქმული ბგერების სიხშირე იკლებს. ამის გამო გვესმის ერთი და იგივე ხმა განსხვავებულად, თუ მისი მასხივებელი წყარო ჩვენი ან საწინააღმდეგო მიმართულებით მოძრაობს.

 ჩვენ, დოპლერის ეფექტი ხმოვანი (მექანიკური) ტალღებისთვის განვიხილეთ, თუმცა ის სხვა ტიპის რხევებზეც ვრცელდება. თუ ხილული სინათლის წყარო გვიახლოვდება, სინათლის ტალღის სიგრძე მოკლდება, ამ დროს ჩვენ ე.წ. იისფერ წანაცვლებას ვხედავთ. თუ წყარო გვშორდება, მაშინ წანაცვლება წითელი ფერისკენ ხდება, ანუ ტალღა გრძელდება (ხილულ დიაპაზონში ყველაზე გრძელი ტალღა შეესაბამება წითელ ფერს, მოკლე კი იისფრს).

 ამ ეფექტს ეს სახელი, ქრისტიან იოჰან დოპლერის საპატივცემულოდ შეარქვეს, რადგან თეორიულად სწორედ მან იწინასწარმეტყველა პირველად. ექსპერიმენტით კი ჰოლანდიელმა მეცნიერმა ქრისტიან ბალოტმა შეამოწმა (1817–1870 წ.). მან ორკესტრი ღია მატარებლის ვაგონზე დასვა, პლატფორმაზე კი დააყენა მუსიკოსები, იდიალური სმენით. ყოველთვის, როცა ღია ვაგონი დამკვრელებით პლათფორმასათან ჩაივლიდა, სასულე ორკესტრის წევრები ერთსა და იმავე ნოტს უკრავდნენ. მაყურებლები კი (მსმენელები) მოსმენილის ნოტურ პარტიტურას იწერდნენ. როგორც მოსალოდნელი იყო, ხმის მოჩვენებითი სიმაღლე პირდაპირ დამოკიდებულებაში აღმოჩნდა მატარებლის მოძრაობის სიჩქარესთან, როგორც დოპლერის კანონი წინასწარმეტყველებდა.

 დოპლერის ეფექტმა ფართო გამოყენება ჰპოვა მეცნიერებასა და ცხოვრებაში. პოლიციელების რადარი თქვენი მანქანისკენ რადიოტალღას ასხივებს (ჩვეულებრივ, ულტრამოკლე ან ზემაღალი სიხშირის), რომელიც მეტალის კორპუსიდან აირეკლება და უკან, რადარისკენ ბრუნდება. ამ ტალღას კი უკვე დოპლერის წანაცვლება აქვს. გამოსხივებული და მიღებული ტალღების სიხშირის შედარებით, კომპიუტერი სწრაფად ითვლის თქვენი მანქანის სიჩქარეს და მისი მაჩვენებელი ეკრანზე გამოაქვს.

 დიდი გამოყენება ჰპოვა ამ ეფექტმა ასტროფიზიკაში: კერძოდ, ედვინ ჰაბლმა, ზომავდა რა მანძილს უახლოეს გალაქტიკებამდე, მათ სპექტრში წითელი, ანუ დოპლერის წანაცვლება აღმოაჩინა, რითაც დაადგინა, რომ გალაქტიკები გვშორდება. ამასთან ერთად, რაც უფრო შორეული იყო გალაქტიკა, მით მეტი იყო მისი სინათლის წანაცვლება წითლისკენ (და მით მეტი სიჩქარით გვშორდება ის), ამით ჰაბლი მიხვდა, რომ სამყარო ფართოვდება. ეს იყო დიდი აფეთქების თეორიის შექმნისაკენ გადადგმული პირველი ნაბიჯი, რაც გაცილებით რთული რამაა, ვიდრე მატარებელი სასულე ორკესტრით.