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