Физика времени

Эффект Доплера распространяется на любые волновые, периодические процессы. Он влияет и на звук — на высоту тона, которая зависит от длины волны звуковых колебаний. Каждый мог заметить это по гудку поезда — его тон кажется более вы– высоким, когда поезд приближается к нам, и более низким, когда он удаляется. Высокому тону соответствуют более короткие длины волн звуковых колебаний, а низкому, наоборот, более длинные *).

_{*) Нужно заметить, что, в отличие от света, звук может распространяться только в какой-либо среде, но не в пустоте. Среда служит и системой отсчета: если относительно нее движется источник звука, а приемник покоится, то изменяется частота принимаемого звука. Если же источник покоится, а приемник движется относительно среды, то изменяется скорость распространения звука. Для света существенно лишь относительное движение источника и приемника.}

Говоря об эффекте Доплера, можно пользоваться вместо длины волны света (или звука) ее периодом. Период — это длина волны, деленная на скорость света (или звука), то есть время, за которое свет (звук) пробегает расстояние, равное длине волны. Тогда эффект Доплера означает возрастание периода волны при удалении источника от приемника и уменьшение его в противоположном случае.

Особая роль света в физике делает эффект Доплера для света очень важным фактом, который с новой стороны открывает нам свойство относительности времени.

Эффект Доплера

Эффект Доплера возникает по простой причине — из-за конечности скорости распространения света. Его наглядное объяснение, которое мы сейчас дадим, целиком на этом основывается и не требует каких-либо других физических соображений.

Представим себе, что после многолетнего полета возвращается космический аппарат и он летит к Земле, прямо по направлению к нам. Пусть этот аппарат посылает нам один за другим два световых сигнала, сначала один, а через год после первого второй. Допустим, что скорость аппарата составляет 0,2 скорости света. Тогда за время между посылкой сигналов аппарат приблизится к нам на 0,2 светового года. (Световой год — расстояние, которое свет проходит за 1 год.) Это значит, что путь второго сигнала от аппарата до нас на 0,2 светового года короче, чем путь первого сигнала, и он будет принят на земле через 0,8 светового года после первого.

Мы видим, что промежуток времени между приемом двух сигналов короче, чем между их испусканием. Таков главный вывод нашего рассуждения. Разумеется, мы брали какие-то определенные скорости и расстояния только для примера. Наш общий вывод от конкретных цифр не зависит. Промежуток времени между приемом сигналов всегда короче, чем между их испусканием, если источник и приемник сближаются.

Точно так же можно рассмотреть и пример, в котором источник и приемник удаляются друг от друга. Нетрудно догадаться, что в этом случае результат окажется обратным: промежуток времени между приемом двух сигналов будет длиннее, чем между их испусканием.

А отсюда всего один шаг до объяснения эффекта Доплера. Действительно, наше общее заключение о промежутках времени относится к промежуткам любой длительности. И можно взять в качестве исходного промежутка какой угодно интервал времени. Например, мы можем взять время между двумя мак– максимальными значениями электрического поля, следующими одно за другим в электромагнитной волне, то есть промежуток времени, равный периоду волны. Те же два соседних максимума будут зарегистрированы приемником света, и промежуток времени между их приходом даст нам период принятой волны. В этом случае одним из двух сигналов будет служить первый максимум в волне, а другим — второй, следующий сразу за ним.

Ясно, что в таком случае период принятой волны не будет совпадать с периодом испущенной волны, если расстояние между источником и приемником света изменяется со временем. Когда они сближаются, период принятой волны короче исходного периода испущенной волны. Когда же источник и приемник удаляются друг от друга, период принятой волны будет, наоборот, длиннее.

Но в этом и состоит эффект Доплера. И все дело здесь именно в конечности скорости распространения света. Стоит только представить себе, что свет имеет бесконечную скорость, и эффект исчезнет — период света не будет зависеть от движения источника и приемника. Тот «выигрыш» во времени, который мы получали в примере с космическим аппаратом, летящим к Земле, сразу, очевидно, теряется: свету все равно, с какого расстояния лететь; он мгновенно, без затраты времени достиг бы нас, будь его скорость бесконечной.

«Световые» часы