Spätestens seit Sheldon aus The Big Bang Theorie zu einer Party als Dopplereffekt kostümiert erschien, ist der Effekt vielen Menschen ein Begriff. Man kennt den Doppleeffekt in erster Linie aus der Akustik. Hier erleben wir ihn jeden Tag. Das typische Geräusch, das ein Formel-1-Wagen macht, wenn er vorbeifährt, ist das klassische Beispiel. Das Heulen des Motors ist höher, wenn er auf uns zufährt. Ist er vorbei und fährt von uns weg, dann nimmt die Frequenz ab und der Ton wird tiefer. Alles, was sehr schnell ist, hat einen wahrnehmbaren Dopplereffekt, wenn es uns passiert. Der Dopplereffekt ist aber kein rein akustisches Phänomen. Er trifft auf alle Wellen und damit auch auf das Licht zu. Den optischen Dopplereffekt zu erklären ist nicht ganz einfach. Trotzdem werden wir es versuchen. Hier also unser Beitrag optischer Dopplereffekt einfach erklärt.

Wellen und Frequenzen

Die Erklärung des Dopplereffekts ist eigentlich ganz einfach. Stellt man sich vor, dass jemand in großer Entfernung uns alle fünf Sekunden einen Ball zuwirft, dann fangen wir alle fünf Sekunden einen Ball. Steht er, während er wirft auf einem Skatebord und rollt auf uns zu, dann wird die Entfernung, die die Bälle unterwegs sind, ständig kürzer. Sie kommen nicht mehr alle fünf Sekunden, sondern häufiger an. Fährt sein Skatebord rückwärts, bewegt der Werfer sich also weg von uns, dann kommen die Bälle seltener an. Die Frequenz der Bälle verändert sich also, wenn der Werfer sich auf uns zu, oder von uns weg bewegt. Sie wird höher, wenn er auf uns zukommt und niedriger, wenn er sich wegbewegt.

Höhere Töne

Töne, deren Quellen sich auf uns zu bewegen, klingen also höher, als sie eigentlich sind. Bewegen sie sich weg, dann hören wir sie tiefer. Der Grund dafür ist die Frequenz, in der die Schallwellen bei uns ankommen. Die Welle wird gestaucht, wenn die Tonquelle sich auf uns zubewegt und gedehnt, wenn sie sich von uns wegbewegt. Beim Licht ist das genauso. Die Lichtwellen werden gestaucht und gedehnt. Die Folge ist ein optischer Dopplereffekt.

Optischer Dopplereffekt einfach erklärt

Hier unsere einfache Erklärung des optischen Dopplereffekts:

Bewegt sich eine Lichtquelle auf uns zu, dann erhöht sich die Frequenz des Lichts. Die Geschwindigkeit, in der Wellenberge und -täler auf unser Auge auftreffen, erhöht sich. Man nimmt eine Blauverschiebung wahr. Rot wird mehr Orange, Orange wird mehr Gelb, Gelb wird mehr Grün und Grün wird mehr Blau.

Bewegt sich eine Lichtquelle von uns weg, dann sinkt die Frequenz in der das Licht uns erreicht. Es kommt zu einer Rotverschiebung. Blau wird mehr Grün, Grün wird mehr Gelb, Gelb wird mehr Orange und Orange wird mehr Rot.

Rot-Blauverschiebung

Die Rot-Blauverschiebung ist also das Ergebnis des optischen Dopplereffekts. Da die Frequenzen des sichtbaren Lichts sehr hoch sind, ist der optische Dopplereffekt nicht sehr stark ausgeprägt. Wir kennen ihn aus dem Alltag nicht. Allerdings spielt er mittletrweile in der Astronomie eine wichtige Rolle. Er hilft dabei, Exoplaneten aufzuspüreen.

Suche nach Planeten

Bei der Suche nach fernen Planeten fremder Sonnensysteme müssen Astronomen kreativ sein. Sie sind aufgrund der großen Entfernung kaum zu sehen. Trotzdem werden immer neue Methoden gefunden, um sie zu identifizieren. So wird beispielsweise das Licht der Sterne gemessen. Nimmt es immer wieder ein klein wenig ab, dann kann die Ursache ein Planet sein, der sich zwischen dem Stern und der Erde vorbeibewegt. Die Chancen dafür stehen aber schlecht, weil Stern, Planet und Erde auf einer Ebene stehen müssen. Erfolgreicher ist die Messung der Rot-Blau-Verschiebung.

Astronomischer Dopplereffekt

Kreist ein Planet um einen Stern, dann wirkt er mit seiner Gravitation auch auf den Stern. Der Fixstern, der sich eigentlich selbst nicht bewegt, „eiert“ also, wenn sich Planeten um ihn bewegen. Das heißt, er bewegt sich minimal auf uns zu und von uns weg, während der Planet ihn umkreist. Diese Tatsache nutzt die Astronomie heute aus. Sie messen die Rot-Blauverschiebung des Lichts, das der Stern aussendet. So gelingt es, auch die Expoplaneten zu identifizieren, die wir sonst nicht sehen würden.

Doppler Effekt und Lichtgeschwindigkeit

Denkt man ein wenig über diesen Effekt nach, dann kommt man vielleicht an einen Punkt, an dem sich die Tatsachen, dass sich Licht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und nichts schneller ist als Lichtgeschwindigkeit dem Dopplereffekt widersprechen. Das Licht wird auch nicht schneller, wenn der Dopplereffekt eintritt. Was sich aber verändert ist die Distanz. Bleibt eine Lichtquelle stehen, dann sendet sie jede Zeiteinheit eine Welle aus. Bewegt sie sich auf uns zu, dann ändert sich das nichts. Aber der Weg, den die Welle bis zu uns zurücklegen muss ist kürzer. Also kommt sie früher an, als wenn die Quelle sich nicht bewegt hätte. Der Dopplereffekt betrifft also nur die Distanzen, die Licht und Schall, oder andere Wellen, zurücklegen.