relativistischer Dopplereffekt

Eine der auffälligsten Folgen des Relativitätsprinzips ist, dass sich der Dopplereffekt für Licht vom Dopplereffekt für Schall unterscheidet. Der Dopplereffekt ist für Schallwellen gut bekannt. Ein herannahender Rennwagen scheint ein höheres Geräusch zu machen als ein davoneilender. Das liegt daran, dass die Schallwellen unabhängig von der Geschwindigkeit des Wagens in der Luft transportiert werden. Bewegt sich der Wagen in der Luft, so werden die nach vorne abgestrahlten Wellen gestaucht und erzeugen einen höheren Ton und die nach hinten abgestrahlten Wellen werden auseinander gezogen und geben einen tieferen Ton.

Ein wichtiges Detail am Dopplereffekt für Schallwellen ist, dass es entscheidend ist ob sich die Schallquelle oder der Schallempfänger relativ zur Luft bewegt. Das ist am einfachsten einzusehen, wenn man sich das Extrem des Überschalls ansieht. Ein Flugzeug, das dem Beobachter mit Überschall entgegenkommt, ist nicht zu hören, denn der Schall kann ihm nach vorne nicht entkommen. Würde man sich dagegen einer Schallquelle mit Schallgeschwindigkeit nähern, so würde man den Schallwellen entgegenlaufen und den Schall wahrnehmen.

Lichtwellen werden im Gegensatz zu Schallwellen nicht von einem Medium transportiert. Auch im besten erreichbaren Vakuum breiten sich Lichtwellen aus und ihre Geschwindigkeit ist nur von Naturkonstanten abhängig und damit immer gleich. Nach dem Relativitätsprinzip der Bewegung darf daher auch der Dopplereffekt für Lichtwellen nur von der Bewegung von Quelle und Empfänger zueinander abhängen, nicht aber von deren Bewegung relativ zu irgendeinem Fixpunkt.

Eine relative Form des Dopplereffekts findet man, wenn man die Lorentztransformation zwischen den Koordinaten von Quelle und Beobachter verwendet. Es kommt heraus, dass der Empfänger des Lichts zusätzlich zu der Stauchung der Wellen bei herankommender Quelle noch eine Verlangsamung der Schwingungen der Quelle beobachtet. Bei sich entfernender Quelle beobachtet man ebenfalls zusätzlich zur Dehnung der Wellen die selbe Verlangsamung der Quellenschwingungen. Diese Verlangsamung der Vorgänge eines bewegten Objekts bezeichnet man als Zeitdilatation.

Die Zeitdilatation führt oft zu Verwirrungen, denn es scheint als könne man mit ihr feststellen, wer sich bewegt und wer ruht. Ein genaueres Studium der Lorentztransformation zeigt jedoch, dass das nicht der Fall ist. Dieselben Effekte des relativistischen Dopplereffekts lassen sich erklären, wenn man den Beobachter als bewegt annimmt und die gleiche Verlangsamung der Zeit nicht der Quelle sondern dem Beobachter zuschreibt. Die mathematischen Formeln für den relativistischen Dopplereffekt sind gerade aufgrund der Zeitdilatation symmetrisch.

Dass der Dopplereffekt des Lichts nicht dem einer Schallquelle entspricht sondern nur von Relativgeschwindigkeiten abhängt und damit die Zeitdilatation enthält, ist experimentell sehr gut abgesichert. Ein modernes Experiment zur Messung der Zeitdilatation misst den Dopplereffekt an Neon-Atomen. Es ist also experimentell bestätigt, dass nicht nur wir die Lichtquellen der sich von uns entfernenden Galaxien nach Korrektur der Lichtlaufzeiten verlangsamt wahrnehmen, sondern dass auch ein Beobachter dort unsere Lichtquellen entsprechend verlangsamt wahrnehmen würde. Mit dieser Relativität der Zeit beschäftigt die nächste Seite.

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Letzte Änderung: 22.06.2011

© Joachim Schulz

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