Bir ambulans yaklaşırken sireni tizdir; geçince aniden kalınlaşır — o klasik niiii-yaaaov kayması. Siren hep aynı sesi çalar; değişen, sesin sana ulaşma biçimidir. Aynı basit fikir, hız cezasından evrenin genişlemesine kadar uzanır.
Doppler etkisini anlamanın en kolay yolu, onu bir dalga olayı olarak düşünmektir. Ses bir dalgadır; ışık da bir dalgadır. Her dalganın iki temel özelliği vardır:
Durgun bir göle taş atın: halkalar her yöne eşit hızda, eş merkezli yayılır. Kaynak sabit olduğu için hangi yönden bakarsan bak dalgalar aynıdır. Peki ya kaynak hareket ediyorsa? Bir ördek gölde yüzerken, önündeki dalgaları kovalar ve sıkıştırır; arkasında ise dalgalar gerilip açılır. Sesle de tıpatıp aynısı olur — aşağıdaki simülasyonda kaynağın hızını değiştir:
Kaydırıcıları oynat: kaynak hızlandıkça önde dalgalar sıkışır (frekans artar, mavi), arkada gerilir (frekans düşer, kırmızı). Sirenin gerçek sesi hiç değişmiyor — değişen, gözlemciye ulaşan frekans.
Kaynak sana yaklaşırken dalgalar sıkışır, frekans yükselir (tizleşir). Kaynak senden uzaklaşırken dalgalar gerilir, frekans düşer (kalınlaşır).
Ambulans gelirken öndeki sıkışmış dalgaları duyarsın (tiz); geçip uzaklaşınca arkadaki gerilmiş dalgaları (kalın). Sirenin frekansı hiç değişmedi — senin konumun değişti.
Etki sadece kaynak hareket edince değil, sen hareket edince de olur. Sabit bir çana doğru koşarsan ses daha tiz gelir; çünkü dalga tepelerine koşarak onlara daha sık çarparsın. Önemli olan göreli harekettir.
Olay adını Avusturyalı fizikçi Christian Doppler'den (1803–1853) alır. 1842'de Prag'da sunduğu makalede çarpıcı bir öngörüde bulundu: bir yıldız bize yaklaşıyorsa ışığı maviye, uzaklaşıyorsa kırmızıya kaymalıydı. Temel fikir doğruydu ama örneği yanlıştı — yıldızlar görünür bir renk değişimi yaratamayacak kadar yavaştı.
İlke çok geçmeden, bilim tarihinin en şirin deneylerinden biriyle doğrulandı. 1845'te Hollandalı meteorolog Buys Ballot, Utrecht yakınındaki yeni demiryolunu kullandı: açık bir vagona trompetçiler koyup tek bir notayı kesintisiz çaldırdı; peronda mutlak kulağa sahip müzisyenler bekliyordu. Tren yaklaşırken nota daha tiz, uzaklaşırken daha kalın duyuldu — tam Doppler'in dediği gibi.
Doppler etkisi, soyut bir formülden önce, bir buharlı lokomotifin üzerinde trompet çalan birkaç müzisyenle kanıtlandı.
Korkma, formül göründüğünden basittir. Duyulan frekans:
Kural tek cümle: yaklaşma frekansı artırır (paydayı küçültür), uzaklaşma azaltır (paydayı büyütür). Bir ambulans düşünelim — siren 700 Hz, araç 30 m/s (~108 km/s), ses 340 m/s:
Araç yanından geçtiği anda ses 768 Hz'den 643 Hz'e, yani ~125 Hz birden düşer. Müzikal olarak bu kabaca bir minör üçlü aralığıdır (≈3 yarım ses) — piyanoda "mi"den "do"ya inmek gibi. Sesin neden neredeyse şarkı gibi düştüğünün sebebi budur.
Sık yapılan hata: Ses yavaş yavaş kalınlaşmaz. Yaklaşırken sabit ve tiz kalır (768 Hz), uzaklaşırken sabit ve kalın (643 Hz). Dramatik düşüş neredeyse tamamen geçiş anında olur — duyduğun şey yumuşak bir iniş değil, "yüksek — geçiş — düşük" şeklinde keskin bir basamaktır.
Işık da bir dalga olduğu için aynısını yapar. Astronomide buna özel isim verilir — aşağıdaki kaydırıcıyla göreli hızı değiştir, tayf çizgilerinin kaymasını izle:
Kritik fark: ses yayılmak için bir ortama (hava, su) muhtaçtır; ışık ise boşlukta da yol alır. Bu yüzden ışıkta "havanın hızı" yoktur, yalnızca göreli hız önemlidir. Işık hızına yakın hızlarda Einstein'ın göreliliği işe karışır (zaman genleşmesi); kaynak tam yana hareket etse bile küçük bir enine Doppler etkisi görülür — tamamen göreliliğe özgüdür.
Günlük hayatta arabanın farları maviye kaymaz; araba ışık hızının yanında kaplumbağa kadar yavaştır. Doppler'in yıldız fikrinin ilk başta tutmamasının sebebi de buydu. Ama astronomik hızlarda kayma ölçülebilir hale gelir — ve işte orada işler büyür.
20. yüzyılın en büyük keşiflerinden biri doğrudan bu kırmızıya kaymadan doğdu. 1910'larda Vesto Slipher uzak galaksilerde belirgin kırmızıya kaymalar ölçtü. 1929'da Edwin Hubble bunu uzaklıklarla birleştirip şaşırtıcı bir örüntü buldu: galaksiler bizden uzaklaşıyordu ve ne kadar uzaktaysa o kadar hızlı.
Tek mantıklı açıklama vardı: evren genişliyor. Bu, Büyük Patlama modelinin temel taşlarından biri oldu.
Güzel incelik: kozmik kırmızıya kayma, galaksilerin uzayda "fırlatılmış top gibi" koşmasından değil; uzayın kendisinin genişlemesinden kaynaklanır — ışığın dalga boyu da onunla gerilir. Galaksiler boşlukta koşmuyor, aralarındaki boşluk büyüyor. Hamuru gererken üzerindeki iki noktanın uzaklaşması gibi.
Doppler'in büyüsü, aynı basit fikrin ne kadar farklı kılığa girdiğini fark edince başlar:
İki olay sıkça karıştırılır. Doppler, kaynak dalgalardan yavaş hareket ettiğinde olur: dalgalar önde sıkışır, arkada gerilir, ama düzenli daireler hâlinde yayılmaya devam eder.
Doppler etkisini kitap okumadan, doğrudan deneyimleyebilirsin:
Bir kez fark ettikten sonra bu sesi her yerde duymaya başlayacaksın.
Doppler etkisi, tek bir sade fikrin ne kadar uzağa gidebileceğinin en güzel örneklerindendir: göreli hareket, dalgaları sıkıştırır ya da gerer. Bu kadarcık ilke, bir buharlı trenin üzerindeki trompetçilerle kanıtlandı; bugün hız yapan arabaları yakalıyor, tornadoları haber veriyor, atan bir kalbin içine bakıyor, başka güneşlerin gezegenlerini buluyor ve tüm evrenin genişlediğini ölçüyor.
Bir sonraki sefere bir ambulans geçtiğinde sadece bir siren duymayacaksın; aynı zamanda kozmosun en derin sırlarını çözen fiziği duyacaksın.