Bài giảng Dao động và Sóng
(Phần 9)
3.5 Hiệu ứng Doppler
Hình v cho thấy hình ảnh sóng tạora bởi đầu nhọn của một thanh đang dao
độngchuyển độngtrongnước.Nếu thanhdaođộng tạichỗ, chúng tasẽ thấy hình
ảnh những đườngtròn đồng tâmquenthuộc, tất cả có tâm ở chung một điểm.
Nhưng vì nguồn sóng đangdi chuyển, nên bước sóng bị ngắn lại ở một phía và dài
ra ở phía bên kia.Hiện tượngnày gọilà hiệuứng Doppler.
Lưu ý rằng vận tốc sóng là một tính chất ổnđịnh của môitrường, nên chẳng
hạn một sóng đang chuyểnđộng về phía trước không được tăngcường thêm tốc
độ kiểu như một viên đạn được bắn raphía trước từ một chiếc máy bay.
Chúng tacũng có thể suy ra sự thay đổi tần số. Vì vận tốclà không đổi, nên
phươngtrìnhv = f λ cho chúng ta biếtrằngsự thay đổi bướcsóng phải tương xứng
với sự thay đổi ngược lại ở tần số: tầnsố cao hơn đối với sóng phát ra phía trước,
và tần số thấp hơn đốivới sóng phát raphía sau. Hiệu ứngtần số Dopplerlà
nguyênnhânâm thanh sôi động quen thuộc của trận đua xeđangtiến tới gần. Khi
chiếc xeđangtiến tới phía chúng ta, chúng ta nghethấyâm cao hơn, nhưngsau khi
nó đi qua chúngta, chúng ta nghethấy tần số thấp hơn bìnhthường.
v/ Hìnhảnh sóng tạo rabởimột nguồn điểm chuyển động sangbên phải
trên nước. Chú ý bước sóngngắn hơn của sóngphát ra phíatrước và bước sóng
dài ra củasóng phát ra phía sau.
Hiệu ứngDopplercũng sẽ xảy ra nếu nhà quan sát đang chuyểnđộng còn
nguồnphátthì đứng yên. Chẳng hạn,một người quan sát đang chuyển động về
phía nguồn cố định sẽ nhận đượcmột chỏm sóng,và khi đó sẽ bị bao vây bởi chỏm
sóng tiếp theo sớm hơn cô ta có trong trườnghợp khác, vì cô ta chuyển độngvề
phía nó và đẩy nhanhsự chạm trán của cô ta với nó. Nói đại khái, hiệu ứng Doppler
chỉ phụ thuộc vào chuyển độngtương đối của nguồn phát và người quan sát, chứ
khôngphụ thuộc vào trạng thái chuyển động tuyệt đối của chúng (thứ không phải
là một khái niệm rõ ràngtrong vật lí học) hay vàovận tốc tương đối của chúng đối
với môi trường.
Tự giới hạn mình vớitrường hợp nguồn chuyểnđộng, và với sóngphát ra

Nếu như sự lệch Dopplerchỉ phụ thuộc vào chuyểnđộng tươngđối của
nguồnvà máy thu, thìkhông có cách nàocho mộtngười đang chuyển độngcùng
với nguồn và một ngườikhác chuyển độngcùngvới máy thu xácđịnh ai làngười
đang chuyển động và ai thì không. Người nào cũng có thể quy toànbộ sự lệch
Dopplercho chuyển động của người kia và khẳngđịnh mìnhđang đứng yên. Điều
này hoàn toàn phùhợp với nguyên lí banđầu dogalileo phát biểu rằngmọi chuyển
độnglà có tínhtương đối.
Mặtkhác, mộtphân tích thận trọngsự lệch Dopplercủa sóng nước hay sóng
âm cho thấy, chỉ gần đúng,ở tốc độ thấp, rằng sự lệch đúng làphụ thuộc vào
chuyển động tương đốicủa nguồnvà người quan sát. Chẳng hạn, có khả năng một
chiếc máy bay phản lực giữ lại sóng âm riêng của nó, sao cho sóng âmdườngnhư
vẫn đứng yên đối với người phicông củamáy bay.Ngườiphi côngkhi đó biết côta
đang chuyển động chínhxác ở tốc độ của âm thanh. Lí dođiều này không bác bỏ
chuyển động tương đốilà người phicôngkhôngthật sự xác địnhchuyển động
tuyệt đối của cô ta mà làchuyển độngtương đối của cô ta với không khí, nó là môi
trường của sóng âm.
Einsteinnhậnra điều này giải quyết đượcvấn đề đối với sóng âmhay sóng
nước, nhưngsẽ không cứu nguychonguyên lí chuyển động tươngđối trong
trường hợp sóngánh sáng, vì ánh sáng không phải là dao độngcủa bất kìvật chất
nào như nước hay không khí. Bắt đầu bằng cách tưởng tượngmột chùm ánh sáng
sẽ trông như thế nào đối với một ngườiđang lái xe mô tô sát bêncạnh nó, cuối
cùng Einstein đã đi tới một cách thức hoàn toànmới để mô tả vũ trụ, trong đó
khônggian vàthời gian bị bóp méo khi đo bởi người quansát ở những trạng thái
chuyển động khác nhau. Làhệ quả của Lí thuyết tương đối này,ôngđã chứng minh
rằng sóng ánh sáng sẽ có độ lệch Dopplerđúngchính xác, không còn gần đúng, chỉ
phụ thuộc vào chuyển động tươngđốicủa nguồnvà máythu.
Big Bang
Ngay khicác nhà thiên văn bắt đầu nhìnlên bầu trời quakính thiên văn,họ
đã bắt đầuchú ý tới những đốitượng nhất định trông giống như nhữngđám mây
trong không giansâu thẳm. Thựctế họ nhìn thấy giống nhau từ đêmnày qua đêm

đầu xanh của quangphổ, trongkhi mộtsố lượngbằng như thế được trông đợi bị
lệch về phía đỏ.Cái Hubble tìmthấythay vì vậy là trừ một vài thiên hàrất gần,tất
cả các thiên hà đều bị lệch đỏ, cho thấychúng đanglùi xakhỏichúng ta ở một phần
lớn của tốc độ ánh sáng.Không những thế, mà cácthiênhà ở càng xa thìlùi xacàng
nhanh.Tốc độ tỉ lệ thuận với khoảng cách của chúngđếnchúng ta.
Liệu có phải đây nghĩa là trái đất(hay ít nhất là thiên hà của chúng ta) là
trung tâmcủa vũ trụ ? Không,vì sự lệch Doppler của ánhsángchỉ phụ thuộc vào
chuyển động tương đốicủa nguồnvà người quan sát. Nếu chúng ta thấy mộtthiên
hà ở xa đang chuyển động ra xachúng ta ở tốc độ khoảng10% tốc độ ánhsáng, thì
chúng ta có thể chắc chắnrằng những nhà thiên văn sốngtrongthiên hà đó sẽ thấy
thiên hàcủa chúng ta đang lùi xakhỏi họ ở cùngtốc độ theo hướng ngược lại. Toàn
bộ vũ trụ có thể hình dunglà ổ bánh đangtrươngphồng của bánhmì nhân nho
khô.Khi bột dãn nở, càng lúccàng có nhiều không gian giữa các hạt nho khô. Hai
hạt nhocàng cách xa nhau, thì tốc độ mà chúngdời ra xanhau càng lớn.
x/ Thiên hà M51.Dướisự phóng đại cao, nhữngđám mây sữa tự bộclộ
chúng gồm hàng tỉ tỉ ngôi sao.
y/ Làm thế nào các nhà thiên văn biếthỗn hợp nào của bước sóngmà một
ngôi saophát raban đầu để họ có thể nói độ lệch Dopplerlà baonhiêu? bức
ảnh này (thuđược bởi tác giả với thiết bị tốnkhoảng5 đô la, và không có kính
thiên văn) cho thấy hỗnhợp màu sắc phát rabởi ngôi saoSirius(Nếu bạn có sách
in trắng đen, thìmàuxanh ở bên trái và màuđỏ ở bên phải) Ngôi sao trôngcó màu
trắng hay trắng hơi xanhđối với mắt, nhưng bất kì ánh sáng trôngcó màutrắng
nếu nó gồm đại thể mộthỗn hợp ngang bằng củacác màu cầu vồng,tứclà của mọi
sóng sinthuầnkhiết có bước sóng nằm trong vùng nhìn thấy.Hãy chúý “kẽ răng”
màu đen. Đây là dấu vân tay của hydrogentrongkhí quyển bên ngoài của Sirius.
Những bước sóng này bị hấpthụ chọn lọc bởi hydrogen. Sirius nằm trong thiên hà
của chúng ta,nhưng những ngôi sao tươngtự nằm trong những thiên hàkháccũng
sẽ hìnhảnh chungbị lệch về phía đầu đỏ, xácnhận chúngđangchuyển động ra xa
chúng ta.
z/ Kính thiên văn tại núiWilson màHubble sử dụng.

tự nhiên sẽ hoạt độngở những nhiệt độ đó. Chodù vậtlí học tiến bộ được bao
nhiêu, thìchúng ta sẽ không bao giờ có thể mô tả tự nhiên ở những nhiệt độ cao vô
hạn, vìcó một giới hạn cho nhiệtđộ mà chúng ta có thể khảo sát bằng thí nghiệm
và quansát để chỉ dẫn chúng ta đến lí thuyết đúng.Chúng ta hài lòng rằngmình đã
hiểu được nềnvật lí cơ bản bao hàm trong sự tiến hóa của vũ trụ bắt đầu mộtvài
phút sauBigBang, vàchúng ta có lẽ có thể lần ngược lại hàngmili giây hay micro
giây sau nó, nhưng chúng ta không thể sử dụngcác phương pháp khoahọcđể xử lí
sự bắt đầu của bản thân thời gian.
A. Nếu một chiếcmáy bay chuyểnđộng ở đúng tốc độ âm thanh, thì bước
sóng của phần phát ra phía trước của sóngâm do nóphát ra bằngbao nhiêu ? Điều
này phải hiểu như thế nào, và điều gì đã thật sự xảy ra ?Điều gì xảy ra nếu như nó
chuyển động nhanhhơn tốc độ âm thanh? Bạncó thể sử dụng thôngtin này để
giảithích cáibạn nhìn thấy ở hình aa và ab haykhông ?
B. Nếu các viênđạn baychậmhơn tốc độ âm thanh, thì tại sao một chiếc máy
bay chiến đấu siêu thanh bắt kịp âm thanh riêng của nó, nhưng khôngbắt kịp
những viên đạn riêng của nó ?
C. Nếumột ai đó ở trong mộtchiếc máy baynói chuyện với bạn,thì lời nói
của họ có bị lệch Doppler không ?