Эффект Доплера

Эффект Доплера заключается в том, что частота колебаний, распространившихся на некоторое расстояние от их источника, отличается от частоты колебаний последнего; указанное изменение частоты зависит от относительной скорости движения источника и приёмника колебаний и не зависит от удалённости от источника. Эффект Доплера проявляется при распространении волн от вибрирующего поплавка на воде, звука, электромагнитных излучений и в некоторых других ситуациях. Это очень полезный эффект, широко и успешно используемый в системах радиосвязи, спутниковой навигации, спектрального анализа, медицинской диагностики и других. Его суть и математическая модель считаются достаточно простыми и ясными для понимания, чтобы преподавать их даже в школах. Так зачем же о нём писать ещё что-то? Дело в том, что эффект Доплера занимает особое положение в естествознании, поскольку связан с принципом относительности — фундаментальным в механике, хотя до сих пор вызывающим споры даже внутри лагеря нерялитивистов, не говоря уж о межлагерном противостоянии. Мне представляется, что посредством тщательного анализа данного эффекта можно лучше понять собственно принцип относительности, не выходя за рамки классической механики. Другими словами, эффект Доплера — экспериментальный факт, имеющий важное значение для обоснования классического принципа относительности.

Хотя  эффект Доплера был обнаружен экспериментально ещё в середине XIX века, он мог быть сначала открыт исключительно, как говорят, "на кончике пера" и лишь затем проверен опытом. Его математическая модель очень проста: все основные формулы получаются из рассмотрения треугольников с использованием классических правил перехода между системами отсчёта. Так что, эффект Доплера оказывается прямым следствием принципа относительности. Простейшие формулы для частных случаев относительного движения были выведены самим Кристианом Доплером, а затем авторитетные физики (среди которых и Хендрик Лоренц) их несколько обобщили, и в таком виде они попали  в учебники, курсы лекций  различного уровня, а также в популярную литературу по физике. Однако, как это ни странно, указанные формулы оказались ошибочными.

Как может быть, что неверные формулы (назовём их каноническими) правильно описывают реальность в том смысле, что успешно предсказывают результаты соответствующих измерений? Простой ответ: да, формулы, вообще говоря, не точны, но их точности хватает в тех условиях, в которых они применяются — довольно обычное дело в науке. Этим объяснением можно было бы и удовлетвориться, если бы не следующее обстоятельство, повлекшее за собой грандиозные недоразумения в физике.

Дело в том, что канонические формулы отрицают так называемый поперечный эффект Доплера, а в специальной теории относительности (СТО) Альберта Эйнштейна ему есть место. Поскольку эффект действительно существует (он применяется, например, в ультразвуковой диагностике кровеносных сосудов), то Эйнштейн и релятивисты посчитали его экспериментальной поддержкой своей теории относительности. Между тем, эффект Доплера вполне описывается и в классической теории, если к выводу канонических формул отнестись более тщательно, не допуская, так сказать, методических ошибок и поспешных пренебрежений малыми величинами. Исторически же случилось, что из-за математических приближений в классической физике эффект не был замечен, а потому и отрицался, а в релятивистской теории он не затерялся и был причислен к её важнейшим заслугам, а также к очень весомым эмпирическим аргументам в её пользу. Иначе говоря, классическая физика потеряла поперечный эффект Доплера из-за элементарной математической небрежности, а релятивистская физика гордится его предсказанием и приводит в качестве аргумента своей неспекулятивности.  Добавим к этому ещё и то досадное упущение, что эффект ударной волны, появляющийся при скорости источника колебаний большей скорости распространения волны, формально не следует из классической модели эффекта Доплера, а описан отдельно стараниями Эрнста Маха; однако это всего лишь дефект традиционной классической модели, который можно легко исправить.

Наиболее тщательный и глубокий анализ классической математической модели эффекта Доплера, очистивший в итоге её от основных ошибок, выполнил Олег Акимов ( http://sceptic-ratio.narod.ru/fi/es4.htm ). По крайней мере мне не известны более ранние работы такого класса. Его результаты настолько меня убедили, что я было отказался от своей старой затеи самому разобраться с данной темой. Практически на все свои накопившиеся к тому времени вопросы я получил исчерпывающие, как мне тогда казалось, ответы. Однако чуть позднее я всё же заметил несколько вещей, разъяснение которых, как традиционное, так и принимаемое Акимовым, остаётся, с моей точки зрения, не вполне удовлетворительным. Поэтому я всё же решился предложить свой вариант изложения модели эффекта Доплера.

В полном варианте моей статьи ( http://dunaevv1.narod.ru/other/dopler_effect.pdf ) вы найдёте вывод основных формул, описывающих эффект Доплера в рамках классических (нерелятивистских) представлений об относительности движения. При этом вы увидите, что там, где есть эффект Доплера по частоте, может отсутствовать одноимённый эффект по длине волны, что не согласуется с нашими традиционными представлениями, полученными ещё в школе. Анимационные иллюстрации эффекта Доплера можно найти по адресу:  http://dunaevv1.narod.ru/other/dopler.htm . Здесь же я приведу отправные положения о наблюдаемом объекте и наблюдателе.

Эффект Доплера проявляется при наблюдении объекта, состоящего из двух частей: источника и последовательности исходящих из него и движущихся некоторых элементов. В качестве последних могут быть, например, пули (источник — пулемёт) или фронты волны (источник — генератор электромагнитных колебаний или колебаний среды, например, воды,  воздуха и др.). В математической модели эффекта Доплера  от физической природы источника и элементов обычно отвлекаются и берут за основу одну из следующих чисто кинематических схем:
1) множество точек, возникающих из некоторого источника и разлетающихся в одном или во всех возможных направлениях;  условно назовём точки пулями, а саму схему — пулевой;
2) множество окружностей, возникающих в одной плоскости около источника как центра, с увеличивающимися во времени радиусами; в трёхмерном пространстве вместо окружностей можно рассматривать сферы; условно назовём окружности или сферы фронтами распространяющейся волны, или просто волнами, а схему — волновой.

Для объяснения эффекта Доплера годится любая из указанных схем, хотя для прояснения некоторых деталей одна из них может оказаться более удобной, чем другая. Поэтому я не буду пренебрегать удобствами, если на то представится случай.
 
Теперь о параметрах модели. Источник генерирует элементы (пули или волны) с постоянной частотой f или, другими словами, с постоянным временным интервалом (периодом) T=1/f. Появившиеся из источника элементы движутся в пространстве равномерно и прямолинейно со скоростью c. В пулевой схеме очевидно, что такое равномерное и прямолинейное движение пуль. В волновой схеме имеется в виду равномерное увеличение радиуса каждого фронта волны, кругового в плоском случае и сферического в трёхмерном. Относительно чего со скоростью c движутся элементы? Возможны два варианта, о которых чуть позже. Элементы образуют в пространстве удлиняющуюся со временем последовательность с одинаковыми расстояниями между любыми двумя соседними элементами. Это расстояние и в пулевой, и волновой схемах будем для краткости называть одинаково — длиной волны и обозначать буквой лямбда;. Наконец, источник элементов также движется равномерно и прямолинейно со скоростью v. Относительно чего? Относительно некоторой системы отсчёта, которая считается неподвижной.
Итак, мы указали исходные данные, а в чём заключается задача? В определении частоты и длины волны элементов на некотором расстоянии от их источника в зависимости от скоростей движения.

Введение неподвижной системы отсчёта (НСО) при изучении движения чего либо — совершенно обычное дело и, как правило, если о ней говорят, то совсем немного. Однако при изучении эффекта Доплера ей следует уделить больше внимания ввиду того, что кроме движения многокомпонентного объекта  (источника с элементами) обычно рассматривают ещё и движение наблюдателя — приёмника волн или пуль. Однако здесь мы сталкиваемся с некоторой методической трудностью, которую часто просто не желают замечать.
Наблюдатель какого-либо движения представляется посредством некоторой системы отсчёта, в которой фиксируется его положение и, если необходимо, угол зрения. Если мы хотим описать движение каких-то внешних объектов, то не должны искажать картину собственным движением. Поэтому мы и вводим НСО. НСО соответствует, так сказать, метанаблюдателю, в поле зрения которого находятся все объекты теории — источник и исходящие из него элементы, в любой момент времени и в любой точке пространства.   Автор, создающий и излагающий научную теорию, всегда является метанаблюдателем. Термин "метанаблюдатель" используют ещё и для того, чтобы не возникало путаницы при введении другого наблюдателя — приёмника элементов, иногда называемого объектным наблюдателем, который может перемещаться. Дело в том, что эффект Доплера проявляется по-разному в трёх ситуациях: 1) при движении источника и покоящемся наблюдателе, 2) при движении наблюдателя и покоящемся источнике и 3) при движении их обоих. В настоящей статье мне не нужен объектный наблюдатель, введение которого вызывает, как мне кажется, лишь путаницу. У меня наблюдатель только один, он связан с некоторой, вообще говоря, произвольной НСО. Эффект движения неподвижного наблюдателя относительно объекта моделируется специальным определением движения объекта относительно НСО.

Рассмотрим сначала простейшую модель эффекта Доплера, соответствующую так называемой пулевой схеме, которая сейчас выбрана лишь из соображений удобства: одномерный случай, в котором векторное сложение скоростей выражается через скалярное сложение их величин, то есть без применения тригонометрии. Напомню, что название схемы метафорическое и никак не связано с реальной стрельбой из пулемёта.

Пусть задана неподвижная одномерная система координат; источник движется относительно данной системы отсчёта с постоянной  скоростью v параллельно оси координат в сторону увеличения их значений, и генерирует с постоянной частотой f пули, летящие также равномерно и прямолинейно и в том же направлении, что и их источник, но со скоростью c, относительность которой может быть в двух вариантах: 1) относительно источника и 2) относительно неподвижной системы отсчёта. Равномерное и прямолинейное движение называют ещё инерциальным.

В первом варианте пули летят со скоростью c относительно источника, а сам источник движется со скоростью v относительно НСО. Во втором варианте пули и источник движутся относительно НСО со скоростями c и v соответственно.
Очевидно, оба варианта сходятся к одному в частном случае, когда источник неподвижен (v = 0) и пули летят с одинаковой скоростью c и относительно источника, и относительно НСО. На этом тривиальном варианте остановимся ненадолго. В точке расположения источника частота f “стрельбы” известна по определению. А какова частота  прибытия пуль на некотором удалении от источника? Возьмём произвольную точку на пути полёта пуль. Пусть в какой-то момент в эту точку прибыла пуля, тогда следующая в очереди прилетит в эту точку спустя период времени T = 1/f, и, следовательно, частота прибытия пуль равна f, то есть такая же, что и в точке положения источника. Расстояние между любыми соседними в очереди пулями (длина волны) ; = cT = c/f. Обратите внимание на то, что при изменении величины c скорости полёта пуль пропорционально изменяется длина волны ;, а частота f остаётся неизменной. В рассматриваемом случае, когда источник неподвижен, эффекта Доплера нет.

Теперь перейдём к двум вариантам, в которых источник движется (v > 0) относительно неподвижной системы отсчёта.  Различие вариантов состоит лишь в определении, относительно чего задана скорость c полёта пуль. Напомню, пули летят в ту же сторону, что и источник; для противоположного движения следует просто заменить знак перед c на противоположный. Нас интересует частота f' прибытия пуль в точку, лежащую на пути их полёта на произвольном расстоянии от источника; частота f' определяется относительно НСО. Далее штрихованные величины будут соответствовать НСО.

Если вас заинтересовала данная статья, то её продолжение можно найти в полном варианте по адресу http://dunaevv1.narod.ru/other/dopler_effect.pdf

Настоящая статья - моё самое раннее размышление на данную тему. Позднее я написал более продуманное и более общее своё произведение - "Преобразования пространства и времени": http://proza.ru/2021/09/23/1386