Những con số làm nên vũ trụ - Phần 73

Hiệu ứng Doppler

Khám phá đó là hiệu ứng Doppler, cái có lẽ bạn đã biết từ súng bắn tốc độ của cảnh sát giao thông hoặc bản tin thời tiết. Hiệu ứng Doppler lần đầu tiên được mô tả bởi nhà vật lí người Áo Christian Doppler, người để ý thấy độ cao của tiếng còi xe lửa bị dịch khi nó đi qua. Hiệu ứng lúc đầu được xác nhận bởi một trong những thí nghiệm đẹp trong lịch sử vật lí. Phép đo chính xác tần số của sóng âm bởi những thiết bị như dao động nghiệm không có hồi thập niên 1840; thiết bị chính xác nhất thời kì ấy chính là đôi tai của người nhạc sĩ đã qua đào tạo. Để xác nhận hiệu ứng Doppler, người nhạc sĩ được bố trí trên một toa xe và được yêu cầu chơi cùng một cung bậc. Những người nhạc sĩ khác, tốt nhất là có thính lực hoàn hảo, đứng bên đường ray và được yêu cầu xác định độ cao của âm thanh mà họ nghe được khi đoàn tàu đi qua. Kết quả là nốt nhạc nhận được cao hơn nốt mà những người nhạc sĩ chơi trên tàu khi họ đi tới gần, và thấp hơn khi họ đi ra xa.

Cơ sở toán học có liên quan chỉ là những phép tính đại số đơn giản. Giả sử bạn đang đứng cạnh một đường ray với một đoàn tàu đang tiến tới ở tốc độ 25 m/s, hay khoảng 55 dặm/giờ. Để nhắc nhỏ bạn, người kĩ thuật viên thổi còi, nó được chỉnh đến nút C trung có tần số 260 hertz, hay 260 sóng âm mỗi giây. Bây giờ, con số quan trọng ở đây là tốc độ của âm thanh, nó bằng 340 m/s ở mực nước biển và tần số đó; con số cho âm C trung là 1,31 m hay bước sóng của nó. Tuy nhiên, vì đoàn tàu đang chuyển động nên bạn không nghe thấy âm C trung; nốt mà bạn nghe được bằng tốc độ tổng hợp của âm chia cho bước sóng của nốt. Cho nên khi đoàn tàu đang tiến tới, bạn nghe thấy (340 m/s + 25 m/s) / 1,31 m hay 279 hertz; khi nó đang đi ra xa, bạn nghe thấy (340 m/s – 25 m/s) / 1,31 m hay 240 hertz. Nói theo ngôn ngữ âm nhạc, bạn nghe thấy một âm D phẳng đi tới và một âm B đi ra xa. Chúng ta có thể liên hệ tần số quan sát (Fo) và tần số phát (Fe) và vận tốc của đoàn tàu (V) và vận tốc âm thanh (v) như sau, V có dấu âm vì đoàn tàu đang tiến tới gần bạn

Fo / Fe = 1 – V/v

Hiệu ứng Doppler, như mô tả ở trên, hoạt động tốt miễn là chúng ta đang xét những thứ như tiếng còi tàu truyền đi ở vận tốc nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, nếu bạn đang xử lí những nguồn phát sóng điện từ (cái chuyển động ở tốc độ ánh sáng), và bản thân nguồn phát sóng cũng đang chuyển động với vận tốc bằng một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng, thì thuyết tương đối hẹp Einstein cho biết rằng khi đó cần phải có một sự hiệu chỉnh.