Am 25. Mai 1842, also heute vor genau 175 Jahren hat Christian Doppler in der Prager Akademie der Wissenschaften einen Vortrag gehalten. Das Thema lautete „Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels“. Der Salzburger Physiker erklärte darin eine Reihe astronomischer Phänomene und zwar aus heutiger Sicht alle komplett falsch. Das womit er sie erklären wollte prägt unsere Welt aber heute wie kaum ein anderes Konzept aus der Wissenschaft: Der Doppler-Effekt.
Um was es sich beim Doppler-Effekt handelt sollte man eigentlich nicht erklären müssen; das sollten alle in der Schule gelernt haben. Sendet eine Schall- oder Lichtquelle Signale aus, dann verändern sich die Signale je nachdem ob und wie schnell sich die Quelle oder der Beobachter der Signale bewegen. Deswegen verändert sich der Sirenenton eines an uns vorüber fahrenden Einsatzfahrzeuges; deswegen hören sich Rennautos für die Zuschauer genau so an wie sie sich anhören, und so weiter. Diese akustischen Auswirkungen des Doppler-Effekts erleben wir heute ständig im Alltag – Christian Doppler konnte das damals in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts nicht erleben. Damals gab es nichts, dass sich so schnell bewegte als das man da etwas hören konnte (und auch die Geschichte vom Test mit dem Orchester auf dem Eisenbahnwagon hat er später stattgefunden als es entsprechende Eisenbahnen gab und nicht zu Dopplers Zeit).
Christian Doppler hatte den nach ihm benannten Effekt daher nicht anhand des Schalls untersucht sondern sich auf das Licht konzentriert. Außerdem war er ja auch Astronom und er dachte das man am Himmel die Auswirkungen des Doppler-Effekts am besten studieren kann. Dass Sterne unterschiedliche Farben haben, hatten die Astronomen damals schon beobachtet. Aber man wusste nicht so genau warum das so war. In seiner Arbeit (die hier im Volltext gelesen werden kann) berechnet er wie schnell sich Sterne am Himmel bewegen müssen so dass wir das von ihnen ausgesandte Licht in entsprechen anderen Farben wahrnehmen. Denn so wie der Signalton eines Einsatzfahrzeuges höher wird wenn es sich auf uns zu bewegt und tiefer, wenn es sich entfernt muss auch das Licht der Sterne bläulicher werden wenn sie auf uns zukommen und rötlicher wenn sie sich von uns wegbewegen.
Doppler führt in seiner Arbeit eine ganze Reihe an Phänomenen an, die seiner Meinung nach durch diesen Effekt erklärt werden können. Farbige Doppelsterne zum Beispiel aber auch die beiden „neuen Sterne“ die Tycho Brahe und Johannes Kepler 1572 und 1604 entdeckt hatten. Das, so Doppler, wären Sterne die sich so enorm schnell bewegt hatten, dass die Farbe ihres Lichts komplett aus dem für uns sichtbaren Bereich verschoben worden ist. Erst als sie kurzfristig ein wenig langsamer wurden, konnten wir sie sehen.
Heute wissen wir natürlich, dass die beiden „neuen Sterne“ gewaltige Supernova-Explosionen waren bei denen Sterne am Ende ihres Lebens noch einmal kurz so richtig hell aufleuchten. Und wir wissen auch, dass die Sterne unterschiedliche Farben haben weil sie unterschiedliche Temperaturen haben. Sie bewegen sich zwar auch und dadurch verändert sich ihre Farbe ebenfalls – aber zur Zeit Dopplers waren die Beobachtungsmethoden nicht genau genug um das wirklich messen zu können.
Das, was Doppler in seiner Arbeit aus dem Jahr 1842 über die Astronomie geschrieben hat ist im wesentlichen falsch. Der grundlegende Effekt dagegen ist absolut richtig und umso wichtiger! Dopplers Entdeckung das es bei der Untersuchung von Licht- oder Schallwellen auf die Relativgeschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter ankommt bzw. dass man aus der Veränderung im Signal auf die Geschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter schließen kann war genial und beeinflusst unsere Welt heute massiv. Der Doppler-Effekt wird in der Verkehrsüberwachung eingesetzt, in der Luftraumkontrolle, bei der Wettervorhersage, bei unzähligen technischen Prozessen, überall in der Medizin und in jeder Menge anderen Tätigkeitsfeldern wo man ihn vermutlich gar nicht vermuten würde.
Ich habe das alles sehr viel ausführlicher kürzlich in in einem Artikel für das Magazin „Profil“ beschrieben und dort auch über die Astronomie gesprochen. Denn auch wenn Doppler damals bei der Erklärung astronomischer Phänomene falsch lag, ist der Doppler-Effekt heute in der Astronomie kaum mehr wegzudenken. Ohne ihn geht quasi gar nichts. Wir haben damit die ersten Exoplaneten entdeckt; wir haben dunkle Materie und dunkle Energie identifiziert; wir finden damit heraus wie es im Inneren der Sterne aussieht und welche Form Asteroiden haben. Wir untersuchen damit die Bewegung von Doppelsternen und die Expansion des Universums.
(Kurzer Einschub: Immer wenn ich irgendwo etwas über die astronomischen Anwendungen des Doppler-Effekts lese, dann taucht dort fast immer die „Warnung“ auf, man dürfe auf keinen Fall die kosmologische Rotverschiebung mit dem klassischen Doppler-Effekt verwechseln. Und ich frage mich jedesmal: Warum? Klar, wenn sich das Licht eines Sterns in Richtung rot verschiebt weil er sich von uns entfernt, dann passiert das, weil sich der Stern tatsächlich durch den Raum bewegt. Wenn wir das Licht ferner Galaxien ins Rote verschoben sehen, dann passiert das, weil sich der Raum selbst ausdehnt; die Galaxie sich aber NICHT durch den Raum bewegt. Aber das grundlegende Phänomen ist ja das gleiche; die Distanz zwischen Quelle und Beobachter verändert sich und deswegen verändert sich auch das Signal. Wieso also immer die „Warnung“?)
Christian Doppler hat ein äußerst interessantes Leben geführt. Vom Sohn eines Steinmetzes zum ersten Professor für Experimentalphysik an der Uni Wien. Er hat noch viel mehr gemacht als „nur“ den nach ihm benannten Effekt zu untersuchen und selbst der hat ihm nicht den Ruhm eingebracht den er verdient hätte. Stattdessen heftige Angriffe von Kollegen die das Phänomen als „zu trivial“ betrachtet haben um es ernst zu nehmen bzw. die Existenz des Effekts gleich ganz leugneten (auch dazu steht mehr in meinem Artikel fürs „Profil“). Und dann starb er schon mit 50 Jahren und wurde seitdem im wesentlichen vergessen.
In Salzburg trifft man immer noch fast ausschließlich auf Mozart und wer nicht weiß, dass dort auch ein so wichtiger Physiker wie Doppler seinen Ursprung hatte, der käme kaum auf die Idee. Obwohl ich immerhin bei meinem letzten Besuch in einer Konditorei neben Unmengen an Mozartkugeln auch eine kleine Schachtel mit Doppler-Kon(ef)fekt entdeckt habe!
Nu, gallopierende Pferde gab es auch damals schon…
😉
@bruno: „Nu, gallopierende Pferde gab es auch damals schon…“
Aber reicht das für einen hörbaren Dopplereffekt?
Da werden laut mehreren Quellen Geschwindigkeiten um die 60 km/h erreicht, also 17 m/s, also 5% der Schallgeschwindigkeit. Also ergeben sich auch Frequenzänderungen von der Größe 5%.
Sollte für ein geübtes Ohr hörbar sein, denke ich.
Weil es für die beiden Phänomene unterschiedliche Formeln gibt, die (insbesondere bei sehr hohen Geschwindigkeiten) deutlich unterschiedliche Ergebnisse liefern, würde ich sagen.
@Bjoern: „Weil es für die beiden Phänomene unterschiedliche Formeln gibt“
Wirklich unterschiedliche Formeln? Klar braucht man ab gewissen Geschwindigkeiten eine relativistische Formulierung – aber die sollte dann ja eigentlich allgemein funktionieren.
Beim Zweispänner, Florian?
Aber auch im Ernst, Jochen, <vorname>*,
Wickiewiki rechnet mit 36km/h vor; Feuerwerk dieser Rasanz ist seit einiger Zeit erlebbar, doch seit deutlich länger als Mensch rasen (insbesondere zB, mit Verbeugung vor der Fantasy, the DragonFly) Libellen umeinand, deutlich schneller als die Beispielmarke (zu .36€) auch insbesondere und verwirrenderweis die Bremsen. Alles schon persönlich anekdotisch wahrgenommen 🙂Nich wejen de pääds, ävver…
Zum Dopplereffekt und der Ausdehnung empfehle ich diesen Link (wie generell die Seiten von Baez super sind, wenn es um die ART geht):
https://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/GR/hubble.html
“ the Doppler shift explanation is a linear approximation to the „stretched light“ explanation. “
„The Doppler explanation fails for very large redshifts, for then we must consider how Hubble’s „constant“ changes over the course of the journey.“
@MartinB: „“The Doppler explanation fails for very large redshifts, for then we must consider how Hubble’s “constant” changes over the course of the journey.“
Ok, vielen Dank. Das hab ich jetzt auch verstanden 😉
Für einen deutlich wahrnehmbaren Dopplereffekt reichte es eigentlich schon seit Urzeiten, indem man das Glück hatte, von einem schlecht gezielten Pfeil oder Stockschlag knapp verfehlt zu werden. 😉
@Florian Freistetter:
Ich habe mir jetzt noch keine allzu großen Gedanken zu diesem Thema gemacht, sehe aber schon folgende formale Schwierigkeit: Um die Formel für den relativistischen Dopplereffekt anwenden zu können, braucht man ja die Relativgeschwindigkeit, also um wie viel sich die Distanz zwischen Quelle und Empfänger in einer gewissen Zeiteinheit ändert. Das könnte bei kosmologisch weit entfernten Galaxien problematisch werden. Welchen Entfernungsbegriff (und evtl. welche Zeit) verwendet man?
Vermutlich gibt es einen Entfernungsbegriff mit dem das passt. Aber ich sehe nicht aus dem Stegreif welcher das sein sollte.
In der SRT ist das kein Problem, weil die Relativgeschwindigkeit aus beiden Bezugssystemen gemessen dieselbe ist (bis auf das Vorzeichen).
@ Krypto. Du bist mir zuvorgekommen. Nur daß ich mich auf Gewehr- oder Artilleriegeschosse beziehen wollte. Und da klappt es mit Sicherheit.
Ich bezweifle schwer dass man den Dopplereffekt bei einer vorbeifliegenden Gewehrkugel wahrnehmen kann.
Das geht einfach zu schnell, und sowieso hab ich eine Gewehrkugel noch nie ein Geräusch machen hören (außer natürlich den Überschallknall wenn sie den Lauf verläßt).
Vielleicht ist das ja anders wenn sie auf einen zu kommt. Wie sich das anhört mag ich aber gar nicht wissen.
25kg, Frantischek?
a) früher eher langsamer b) Querschläger
Für den gesamten Effekt muß sie ja auch wieder abzwitschern.
Mindestens 100!
O.k. Hab mich geirrt. Man hört sie.
https://www.youtube.com/watch?v=stzSY1gT0m0
Aber Dopplereffekt hör ich da keinen…
@Frantischek. kommt wohl auf die verbliebene Geschwindigkeit an, auf Unterschall sollte die Mumpel schon runter sein. Und vermutlich wusste man dan auch nur, daß man davongekommen war. Bei Artilleriegranaten haben wohl erfahrene Soldaten ungefähr einschätzen können, ob der „Segen“ sie betrifft oder wem ungefähr das galt, wenn es vorbei war Mein alter Physiklehrer, der noch das Mißvegnügen hatte, am WKII in vorderer Linie teilzunehmen, meinte, es wäre so. Und alte Krieserinnerungen in diversen Büchern scheinen das auch zu bestätigen. Aber wie auch immer, ich hoffe, das nie in der Praxis rausfinden zu müssen.
Ausführliche Leseprobe aus „Weltbewegend – unbekannt …“ : https://books.google.de/books?id=dVSk1BPQA4cC&printsec=frontcover&hl=de
Schon damals habe die Leute aneinander vorbeigeredet, wenn sie es nur wollten. Selbst Mach hat letztendlich aufgegeben:
https://de.wikipedia.org/wiki/Ernst_Mach#Dopplereffekt
Welche Geschwindigkeit würde man denn dann in die Doppler-Formel einsetzen? Die Fluchtgeschwindigkeit? Und wie ware das, wenn die Fluchtgeschw. das Mehrfache der Lichtgeschwindigkeit ist?
Man kann also doch feststellen, dass sich etwas durch den Raum bewegt?
@JoJo
Galaxien bewegen sich auch durch den Raum, aber in verschiedenem Maß. Wenn man sich die nähere Umgebung der Milchstraße ansieht, wirkt die Gravitation zwischen der Milchstraße und Andromeda noch stärker als die Expansion des Universums.
Schaut man sich dagegen den Supercluster Laniakea an, dann werden zwar die einzelnen Cluster des Superclusters von der Gravitation zueiander hingezogen (und von anderen weiter entfernten Superclustern weg), aber die Expansion des Universums ist da schon so stark, dass sich die einzelnen Cluster innerhalb von Laniakea trotzdem voneinander entfernen.
Ich könnte mir einen Dopplereffekt vorstellen, wenn Mauersegler schreiend vorbeisausen. Muss ich auf dem Balkon mal drauf achten.
> Als Christian Doppler einmal aus den falschen Gründen eine großartige Idee hatte
> Christian Doppler hatte den nach ihm benannten Effekt daher nicht anhand des Schalls untersucht sondern sich auf das Licht konzentriert.
Die Überschrift ist unverständlich. Die großartige Idee von Christian Doppler ist es, den augenfälligen Einfluss der Bewegung eines Schiffes auf dem Wasser mit und entgegen den Wellen desselben auf Schall- und Lichtwellen zu übertragen.
Etwas verkürzt dargestellt fragt er sich, warum denn alle über die von Bradley gemessene Aberration des Lichts reden und keiner über den Dopplereffekt.
Übrigens bemerkt Doppler in seiner Abhandlung ausdrücklich, dass eine Tonveränderung bereits bei einer Geschwindigkeit von siebzehn Fuß pro Sekunde wahrnehmbar sein müsste (ca. 20 km/h). Ein geübter Marathonläufer könnte ihn bei der Zielankunft wahrnehmen. 🙂
Dass er versucht, die am Himmel beobachteten Farb- und Intensitätsänderungen in Hinblick auf den Dopplereffekt zu diskutieren ist naheliegend. Dass sich diese Hypothese als falsch heraus stellte ist ihm nicht vorzuwerfen.
Der Artikel zu Doppler hinterlässt bei mir einen ähnlich schalen Eindruck wie das Machwerk von Ernst Peter Fischer zur Postfaktizität: https://www.sterne-und-weltraum.de/magazin/mehr-oder-weniger-postfaktisch/1445909#comment-1453055
@Karl: “ Dass sich diese Hypothese als falsch heraus stellte ist ihm nicht vorzuwerfen.“
Ich wüsste nicht wo ich das getan habe. In §7 seiner Arbeit macht Doppler auch sehr klar, dass es ihm an einer Erklärung astronomischer Phänomene gelegen ist und diese Erklärung nimmt auch den Hauptteil seines Artikels ein.
„Die Überschrift ist unverständlich. „
Die Überschrift dient ja auch nicht dazu den kompletten Inhalt des Artikels zu transportieren. Doppler hatte eine großartige Idee, das ist unbestritten. Die astronomische Motivation dahinter war allerdings falsch. Nicht mehr; nicht weniger.
> #23 Florian Freistetter, 26. Mai 2017
>> Dass sich diese Hypothese als falsch heraus stellte ist ihm nicht vorzuwerfen.
> Ich wüsste nicht wo ich das getan habe.
Ich habe nicht gesagt, dass du es getan hast. Andere haben es getan und Ernst Mach hat angesichts deren Verhalten nur den Kopf geschüttelt.
>> Die Überschrift ist unverständlich.
> Die Überschrift dient ja auch nicht dazu den kompletten Inhalt des Artikels zu transportieren.
Ballhorn hat ja auch nicht alles neu geschrieben, aber seine Aktionen sind sprichwörtlich geworden.
Tatsächlich ist eine gute Idee wenn immer möglich die Originalveröffentlichungen zu lesen. Bei Doppler ist das relativ einfach und wem das zu mühsam ist, der findet hier eine Zusammenfassung:
The following annotated summary serves as a companion to that original.
§7 als Hauptteil der Arbeit zu bezeichnen ist unbegründet.
@Karl: „und Ernst Mach hat angesichts deren Verhalten nur den Kopf geschüttelt.“
MWn hat Mach, als er am Doppler-Effekt gearbeitet hat, Probleme bekommen weil es immer noch eine Anti-Doppler-Lobby gab die (wie in meinem Profil-Artikel beschrieben) aber nicht so sehr ein Problem mit der Astronomie hatte sondern ein Problem mit der Mathematik.
„Tatsächlich ist eine gute Idee wenn immer möglich die Originalveröffentlichungen zu lesen.“
Was ich getan habe.
„§7 als Hauptteil der Arbeit zu bezeichnen ist unbegründet.“
Ok – §7, wo er die Astronomie einleitet und alles was danach zum selben Thema bis zum Ende des Artikels folgt.
Um was streiten wir jetzt eigentlich? Ich habe nirgendwo gesagt das Doppler blöd war (im Gegenteil), ich habe seine Arbeit korrekt wieder gegeben und die Bedeutung seiner Arbeit herausgestellt. Ich habe nur (und ebenfalls korrekt) angemerkt das er sich in seiner Arbeit sehr ausführlich mit einer astronomischen Interpretation und Motivation beschäftigt die eben leider in allen Punkten fehlerhaft war.
@AmbiValent
Aber so eine Sprechweise unterstellt doch, es gäbe eine Möglichkeit den Bewegunszustand eines Objekts (Galaxis) relativ zum Raum anzugeben! Nach allem was ich weiß, ist dies eben nicht möglich — ebenso wie es nicht möglich ist, sinnvoll einen Bewegungszustand des Raumes selbst anzugeben (was aber draus folgen würde).
Die Geschwindigkeit relativ zu einer (anderen) Galaxis anzugeben, ist nun etwas ganz anderes, als eine bestimmte Geschwindigkeit relativ zum Raum zu konstatieren.
Man gibt dann die Geschwindigkeit des Objekts relativ zur gemittelten Geschwindigkeit der Objekte in der Umgebung an, in diesem Falle z.B. relativ zur gemittelten Geschwindigkeit des umgebenden Galaxiehaufens.
Was Florian ausdrücken wollte, ist vermutlich, dass die Galaxie in comoving coordinates (keine Ahnung wie man das übersetzt; als mitbewegte(s) Koordinaten(system)?) ruht?
Mir ist auch klar, dass es in der ART prinzipiell nicht eindeutig ist, Geschwindigkeiten an unterschieldichen Raumzeitpunkten zu vergleichen. Wegen der Raumzeit-Krümmung gibt es ja unterschiedliche Möglichkeiten des Parallel-Transports.
Im Endeffekt ist die Rotverschiebung doch nur eine Möglichkeit, um eine bestimmte Art von Relativgeschwindigkeit zu definieren. Mir ist nur nicht ganz klar ist, was da mathematisch passiert. Macht man etwa einen Parallel-Transport eines lokalen Koordinatensystems entlang der Nullgedäte, welche die lichtaussendende, ferne Galaxis mit uns verbindet, und nimmt das Maß der entstandenen Verzerrung als Maß für die Relativgeschwindigkeit, z.B. ausgedrückt in z?
@Martin:
Danke für den Baez-Link. Ist immer eine lesenswerte Lektüre für nicht-Experten.
@JoJo
Die kosmische Hintergrundstrahlung definiert einen natürlichen Bezugspunkt für die Geschwindigkeit im Raum. Nach dem Urknall entstanden die Teilchen in relativer Ruhe zueinander, bis auf die Expansion des Raumes, und von ihren Positionen aus begangen sie, auf zufällig geringfügig dichtere Zonen hinzu zu driften. Diese Drift ergab am Ende die Eigenbewegung der Galaxien und Galaxienhaufen.
Ein Teilchen, das sich zufälligerweise nicht von seiner ursprünglichen Position wegbewegt hat (weil es z.B. zufällig im Schwerpunkt einer lokalen Verdichtung lag) würde die Hintergrundstrahlung in jeder Richtung mit der gleichen Rotverschiebung wahrnehmen. Von der Erde aus messen wir eine Rotverschiebung der Hintergrundstrahlung von ca. 600 km/s in einer bestimmten Raumrichtung (bzw. -600 km/s in deren Gegenrichtung).
Die Bewegung von Galaxien eines Haufens kann man in Bezug auf den Schwerpunkt des Haufens messen, der wiederum in Bezug auf die Hintergrundstrahlung in Ruhe befindlich ist – aus seiner Sicht. Aus Sicht der Erde wird er durch die Hubble-Expansion der Strecke zwischen ihm und uns hinfortgetragen.
Und ja, wenn man die Position solcher Orte in mitbewegten Koordinaten (die heißen im Deutschen so) misst, dann befinden sie sich in Bezug auf diese Koordinaten in Ruhe, während die Eigenbewegung von Galaxien eine Bewegung relativ zu diesen Koordinaten bedeutet.
Fallende Objekte werden auch sehr schnell, und zwar schnell werden sie schnell. Türme, Kirchtürme gab es auch Anfang des 19. Jhr. und statt Gewehrkugeln könnte man Kanonenkugeln nehmen.
Ansonsten wäre zu fragen, wie man die Oberfläche eines fallenden Objekts am besten gestaltet, damit dieses ein lautes Geräusch beim Fallen macht (ad-hoc-Vermutung: zerklüftet. Oder eine Art Flöte/Pfeife bauen, die man an einer Schnur geführt fallen lässt, damit der Wind in der richtigen Weise durchpfeift).
@Alderamin
Darum geht’s doch garnicht.
Man kann sich viele Bezugsysteme ausdenken. Welches man auch immer verwendet, die Bewegung von Objekten ist dann in Bezug auf dieses System.
Zu sagen, etwas bewege sich nicht durch den Raum, verwendet quasi den Raum als Bezugsystem, was keinen Sinn ergibt — zumindest wenn man kein Bezugssystem nennt und den Äther einen friedlichen Tod hat sterben lassen.
Gemeint war vermutlich, dass ein Objekt in kosmologischen Koordinaten seinen Ort nicht ändert, ist aber nur Spekulation meinerseits.
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[…] stammt die gerade aufsteigen oder von welchen die gerade absinken. Das ist nichts anderes als der Doppler-Effekt: So wie sich auch die Tonhöhe eines Signalton eines Einsatzfahrzeuges verändert je nachdem ob es […]