• אודות
  • צוות
  • צור קשר
  • השבוע במדע
  • הידעת?
  • גלריה
  • סדרות
  • ויראלי

בין דו"ח מהירות להיווצרות היקום

אפקט דופלר שנחזה על-ידי המדען האוסטרי כריסטיאן אנדראס דופלר [1] מתאר את השינוי בתדירות של גלים בנקודת המדידה, כתוצאה מתנועה יחסית של מקור הגל. לתופעה אינספור שימושים תיאורטיים והנדסיים שהזניקו קדימה הן את ההבנה שלנו על היקום והן את הטכנולוגיה שבה אנו משתמשים ביומיום.

בשנת 1842 גילה דופלר את האפקט הקרוי על שמו ואומת שלוש שנים מאוחר יותר בניסוי [2]. ההמחשה המיידית לאפקט היא אירוע שכל אחד חווה מדי פעם כשרכב עם סירנה (ניידת או אמבולנס) חולף על פניו. לשם פשטות נניח שהצופה, או המאזין במקרה זה, עומד במקום. כאשר הרכב מתקרב במהירות נסיעה קבועה (שוב, לשם פשטות) הצופה ישמע את הסירנה בטון גבוה, ואילו כשהרכב יחלוף על פניו ויתרחק, הסירנה תישמע לפתע בטון נמוך (המחשה במקור [3]). כמובן שהנהג לא החליט לשנות את טון הסירנה תוך כדי נסיעה, אז מה בעצם קורה פה?
דופלר טען שגל הוא בעצם הפרעה שמתקדמת בתווך, כאשר המקור נע לכיוון המאזין, (שהוא גם מכשיר המדידה לצורך העניין), ההפרעה תימדד בקצב גבוה יותר ואילו כשהמקור מתרחק היא תמדד בקצב נמוך יותר. כלומר, ישנו שינוי בתדר כתוצאה מתנועת המקור ביחס לצופה, על-פי הנוסחה המופיעה במקור [4]. התוצאה של נוסחה זו היא התדר החדש שנמדד. כאשר מדובר במקרה בו גם הצופה נע, הנוסחה טיפה משתנה אך עדיין שומרת על פשטות אלגנטית. האפקט תקף לכל אירוע שקורה בקצב מחזורי; דוגמה מפורסמת היא מכונת טניס שיורה כדורים לעבר חובט. החובט חש בשינוי בקצב הכדורים שמגיעים אליו אם המכונה נוסעת לכיוונו לעומת מקרה בו היא מתרחקת ממנו, אף על פי שקצב שיגור הכדורים של המכונה נשאר קבוע.
קפיצת המדרגה המשמעותית בשימוש באפקט היא ההבנה שהוא תקף גם לגלים אלקטרומגנטיים, ומתקיימת "הסחה" של התדר הנפלט ממקור שמתרחק מהגלאי, לתדר נמוך יותר (אורך גל ארוך יותר) . במקרה כזה יש להשתמש במהירויות התואמות לתורת היחסות כיוון שמדובר בגלים שנעים במהירות האור [5]. היישום הטכנולוגי המוכר ביותר של האפקט הוא מכ"ם דופלר. מכ"ם כזה משדר גל אלקטרומגנטי בתדר ידוע וקבוע שפוגע בעצם נע (כמו מטוס או טנק אויב) ומוחזר לגלאי שנמצא בצמוד למקור. הגלאי מודד את השינוי בתדר המוחזר וכך ניתן לדעת האם העצם מתקרב או מתרחק ואף לחשב את מהירותו [6].

דוגמה מעניינת נוספת להסחה של אור מהווה הוכחה והסבר לתופעת התפשטות היקום (אם כי חשוב להדגיש שזה אינו ההסבר היחיד). תופעה זו מוכרת כ"הסחה לאדום", כיוון שאורך הגל האדום מהווה דוגמא לאורך גל ארוך יחסית [7]. כאשר מודדים ספקטרום אור של כוכבים, ישנם אורכי גל שנבלעים בדרך אלינו מהכוכב. אורכי גל אלו נקראים "קווי בליעה". כאשר התבצעו מדידות של אותם יסודות כמו מימן והליום פה על כדור הארץ, הסתבר שמקבלים את אותה תבנית של קווי בליעה, אלא שבמדידות מתצפיות לכוכב, קווי הבליעה הוסטו כולם לכיוון אורך הגל האדום, מה שמעיד על התרחקות.

המדען אדווין האבל גילה שככל שגלקסיות רחוקות יותר מכדור הארץ, הספקטרום שלהם מוסח יותר לאדום – כלומר הן נעות בקצב מהיר יותר. משמעות גילוי זה היא שהיקום מתפשט [8].
המסקנה מתוצאה זו היא שאם היקום מתרחב, הרי שאם נהפוך את כיוון הזמן הוא יתכווץ. מסקנה זו הובילה להבנה כי היקום כפי שאנו מכירים נוצר ב"מפץ הגדול".
והנה, הסחה של גלים מאפשרת למדוד מהירות של מכוניות, ואת מהירות התרחבות היקום.

הערה חשובה היא כי קיימת טעות נפוצה, שההסחה לאדום של גלקסיות ואפקט דופלר הן תופעות זהות. בפועל, התוצאות המתקבלות מחישובי ההסחה על-פי אפקט דופלר, לא תואמות לתוצאות המתקבלות ממדידות הסחת הגלקסיות. בשני המקרים מדובר כמובן על הסחת אור, אולם המקור לתופעה הוא שונה.
ההסבר להסחה לאדום של גלקסיות הוא מורכב הרבה יותר וכולל השפעות הקשורות לתורת היחסות הכללית. במאמר הנוכחי לא נרחיב על תופעה זו.

בונוס!
אמנם לא כתבנו כאן את הנוסחה המפורשת לאפקט דופלר בגלים אלקטרומגנטיים אך ניתן למצוא אותה בקלות במקורות שהבאנו. שאלה נחמדה שהופיעה אי שם בבוחן כלשהו, בין הפותרים נכונה יוגרל לייק:
שוטר תנועה עוצר נהג שחצה צומת ברמזור אדום. להפתעת השוטר, הנהג טען שהוא ראה בבירור שהרמזור ירוק.
א. באיזו מהירות צריך היה הנהג לנסוע על-מנת שיראה את הרמזור האדום כירוק?
ב. האם הוא יקבל קנס?

מקורות:

  • על כריסטיאן דופלר
  • על הניסוי לגילוי אפקט דופלר
  • המחשה של אפקט דופלר
  • הנוסחא להסחת דופלר
  • עוד על אפקט דופלר
  • על רדאר דופלר
  • על הסחה לאדום
  • על התרחבות החלל


תאריך פרסום


9/08/2017

על המחבר

 
יאיר אלחדד

בעל תואר ראשון בפיזיקה שימושית והנדסת אלקטרואופטיקה ותואר שני בהנדסת אלקטרואופטיקה. כיום, עובד יאיר כחוקר בתחום הגלאים התרמיים ומערכות ללמידה עמוקה לשימושים אזרחיים ובטחוניים.


2   647

על מנת להמשיך ולהיות רווחיות, על יצרניות מעבדי המחשב לשפר ללא הרף את ביצועי המעבדים…

0   163

דורון אורנשטיין

.

אפר 19

בחלקים הקודמים בסדרה הזכרנו את "תוצא הלוטוס" ואת המבנה המיוחד המעניק לפרח הלוטוס תכונות סופר-הידרופוביות.…

0   106

ולרי פרומקין

.

אפר 16

הידעת? גם ספינות יוצרות שובלי התעבות! מאת ליאור רובננקו שובלי התעבות (עליהם כבר כתבנו לכם…

0   110

יניב טננבאום קטן

.

אפר 16

בקטנה במחקר חדש גילה מועמד חדש לעל מוליך בטמפרטורה גבוהה, בעזרת שילוב שתי שכבות של…

0   63

יניב טננבאום קטן

.

אפר 15

לעטלפים יש מוניטין של מפיצי מחלות, אותו הם כנראה הרוויחו ביושר. שנת 2015 אותרו בארצות…

0   198

שקד אשכנזי

.

אפר 10

בחלק הקודם בסדרה, הסברנו שרמת ההידרופוביות של חומרים תלויה במידת הקוטביות של המולקולות המרכיבות אותם.…

0   149

ולרי פרומקין

.

אפר 9

נסו פעם להטות כוס יין (עדיף אדום) או לטלטל אותה מעט והתבוננו מקרוב בדפנות הכוס.…

0   146

שי אבישר

.

אפר 8

בקטנה: מה משותף לפיזור הקפאין בכוס הקפה שהכנתי הבוקר, הטמפרטורה שלה בעודה זנוחה על השולחן,…

0   262

נעה לכמן

.

אפר 4

עטלפי ערפד הם היונקים היחידים שניזונים בלעדית מדם, והם כוללים שלושה מינים החיים בדרום ובמרכז-אמריקה.…

0   153

סשה דנילוביץ'

.

אפר 3

מים הם חומר מרתק עם המון תכונות יוצאות דופן. הסיבה העיקרית לכך היא המבנה המיוחד…

0   236

ולרי פרומקין

.

אפר 2

גלים קיימים בצורות רבות ושונות. אנו נוהגים להבדיל בין שני סוגים של גלים – גלים…

0   229

יאיר אלחדד

.

אפר 1

המוח שלנו הוא מכונה מופלאה. הוא יכול לחשב דברים מסובכים, להבין מושגים מופשטים, וגם ללמוד…

0   438

אלה לכמן

.

מרץ 22

נניח כי שמענו רכילות שאנו מעוניינים לשתף. אנו משתפים עשרה אנשים, אך רק אחד מהם…

0   249

דורון אורנשטיין

.

מרץ 21

ציספלאטין (Cisplatin) התגלתה לראשונה בשנת 1845 ע"י מישל פיירון (Peyrone). זוהי מולקולה קטנה יחסית, המכילה…

0   321

נתי הררי

.

מרץ 20

סטיבן הוקינג החל את לימודיו באוקספורד, שם נודע כסטודנט מבריק, אך לא חרוץ במיוחד. הוא…

0   280

עדי ארמוני

.

מרץ 14

היום מציינים ברחבי העולם את יום הפאי (ואת יום המדע הבינלאומי, יום הולדתו של איינשטיין…

0   231

דורון אורנשטיין

.

מרץ 14

לאחרונה הרשת מלאה בדיווחים על מצבו הבריאותי של קרנף לבן (רחב שפה) אחד בשם סודאן.…

0   5438

קרן אור

.

מרץ 11

  בפוסט הקודם עסקנו במנועים רקטיים והתמקדנו באופן הפעולה של מנוע רקטי כימי עם הודף…

0   432

צוות מדע גדול, בקטנה

.

מרץ 8

  לכבוד יום האישה הבינלאומי אנו מביאים את סיפורה של המתמטיקאית האיראנית מאריאם מירזחאני, חוקרת…

0   314

צוות מדע גדול, בקטנה

.

מרץ 8

בתמונה אשר צולמה באילת ע"י גיל קופלביץ, ניתן לראות שתי תופעות יפות: הילה מסביב לשמש…

0   387

שלומי בושר

.

מרץ 7