Học viện đào tạo trực tuyến Thứ Bảy, 8 tháng 8, 2020 0 No comments

Có bao giờ bạn để ý rằng khi chiếc xe cứu thương (hay cứu hỏa) di chuyển đến càng gần vị trí của mình, tiếng còi xe sẽ dần có cao độ (pitch) cao hơn so với khi nó di chuyển ra xa. Đây là một hiện tượng vật lý rất thông thường và được đặt tên là hiệu ứng Doppler, theo tên của nhà toán học và vật lý học nổi tiếng Christian Andreas Doppler.

Hiệu ứng Doppler mô tả hiện tượng tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát. Nhà vật lý và toán học người Úc Christian Johann Doppler đề xuất ra lý thuyết này vào năm 1842 khi ông tình cờ nhận thấy màu sắc của các ngôi sao thay đổi khi chúng di chuyển.

Để giải thích hiện tượng này, chúng ta nên bắt đầu bằng một số kiến thức cơ bản về chuyển động của sóng. Các sóng có nhiều dạng như: gợn sóng trên mặt hồ, sóng âm thanh (trường hợp còi xe cứu thương như trên), sóng ánh sáng hay các cơn địa chấn...Hai tính chất thường được nhắc đến nhất của tất cả các dạng sóng là bước sóng và tần số. Bước sóng chính là khoảng cách giữa các ngưỡng cao hay thấp nhất của dạng sóng, còn tần số là số lần lặp lại của các ngưỡng đó tính trong một khoảng thời gian nhất định.

Khi bàn đến cách thức di chuyển của sóng trong không gian 2 chiều hay 3 chiều ta sẽ sử dụng thuật ngữ mặt sóng để mô tả mối liên kết giữa các điểm chung của sóng. Ví dụ: sự liên kết giữa các ngưỡng của sóng bắt nguồn từ việc hòn đá rơi vào hồ nước và tạo ra các mặt sóng hình tròn (các gợn sóng) khi nhìn từ bên trên.

Lấy thêm ví dụ một vị trí nguồn phát sóng ra tất cả các hướng xung quanh với tần số không đổi. Hình dạng của mặt sóng phát ra từ nguồn phát được biểu thị bằng một chuỗi các "sóng hình" đồng tâm và cách đều nhau. Những ai đứng gần nguồn phát sẽ tiếp xúc với mỗi mặt sóng với tần số bằng với khi nó phát ra.

Tuy nhiên khi nguồn phát sóng di chuyển, hình thái của các mặt sóng sẽ trở nên khác biệt. Trong thời gian giữa mỗi mặt sóng được phát ra, vì nguồn phát di chuyển nên các mặt sóng sẽ không còn đồng tâm nữa và chúng có xu hướng bị bó hẹp lại ở phía trước nguồn phát sóng, cũng bị bị cách xa nhau ở phía sau nguồn phát sóng (tùy theo hướng di chuyển của nguồn phát sóng). Người đứng ở phía trước nguồn phát sóng vì vậy sẽ tiếp nhận tần số sóng ngày càng cao hơn khi nguồn phát di chuyển càng gần họ hơn, trong khi người đứng phía sau nguồn phát lại tiếp nhận tần số sóng giảm dần do nguồn phát ngày càng di chuyển ra xa họ.\

Điều này cho thấy chuyển động của nguồn phát sẽ có ảnh hưởng đến tần số được cảm nhận bởi người quan sát đứng yên. Khác biệt tương tự cũng xảy ra khi nguồn phát đứng yên nhưng người quan sát di chuyển đến gần hoặc ra xa nó.

Có thể nói bất kỳ các chuyển động tương đối nào giữa nguồn phát và người quan sát cũng sẽ tạo ra ảnh hưởng Doppler lên tần số được quan sát.

Vậy thì vì sao chúng ta cảm nhận được sự thay đổi cao độ của tiếng còi xe cứu thương đang chạy qua? Cao độ mà ta nghe được phụ thuộc và tần số của sóng âm. Tần số sóng âm càng cao thì cao độ càng cao. Ngay cả khi còi xe tạo ra sóng với tần số không đổi, sự di chuyển của nó đến gần chúng ta đã làm tần số âm thanh bị tăng lên khiến tai nghe cao độ cao hơn. Sau khi tiếng còi đi qua và bắt đầu di chuyển xa dần, tần số sóng âm bắt đầu giảm. Cao độ thực sự của còi xe nằm ở đâu đó trong khoảng giữa mức âm cao nhất (còi xe đến gần nhất) và thấp nhất (còi xe ở xa nhất) mà tai ta nghe được.

Với sóng ánh sáng, tần số sóng sẽ quyết định màu sắc mà mắt ta thấy. Tần số ánh sáng cao nhất nằm ở dải màu xanh dương mà mắt người có thể thấy được, còn tần số thấp nhất nằm ở dải màu đỏ.

Nếu các ngôi sao và dải ngân hà di chuyển ra xa chúng ta, tần số ánh sáng mà chúng phát ra sẽ giảm đi và màu sắc của chúng sẽ dần nghiêng về dải màu đỏ mà mắt cảm nhận được. Hiện tượng này còn gọi là red-shifting (chuyển ánh đỏ).

Ngược lại, nếu một ngôi sao di chuyển đến gần chúng ta hơn thì sẽ tạo thành hiện tượng blue-shifted (chuyển ánh xanh). Đây là hiện tượng đã giúp Christian Doppler đề xuất ra lý thuyết cùng tên, đồng thời cũng khiến Edwin Hubble đưa ra lý thuyết vũ trụ mở rộng vào năm 1929 khi ông quan sát thấy hiện tượng chuyển ánh đỏ ở tất cả các dải ngân hà (do chúng di chuyển ra xa chúng ta và lẫn nhau).

Hiện tượng Doppler được ứng dụng rất rộng rãi chứ không chỉ gói gọn trong mảng âm thanh hay thiên văn học. Hiện nay chúng ta đang sử dụng những chiếc Doppler radar ứng dụng sóng siêu âm phản hồi nhằm tính toán chính xác tốc độ của các vật thể di chuyển. Điều này được thực hiện bằng cách phát đi các sóng với tần số riêng biệt và phân tích các thay đổi của sóng phản hồi lại.

Lý thuyết Doppler còn được sử dụng để quan sát thời tiết và theo dõi chuyển động của mây hay các thay đổi thời tiết khác, cũng như được sử dụng trong cả ngành hàng không và nghiên cứu phóng xạ. Ứng dụng Doppler còn có mặt trong súng bắn tốc độ của cảnh sát, vốn được trang bị một bộ radar Doppler cỡ nhỏ.
Ngành y học cũng ứng dụng hiện tượng Doppler để theo dõi tuần hoàn máu trong cơ thể. Các máy siêu âm Doppler sử dụng tần số âm thanh cực cao cho phép chúng ta tính toán được tốc độ và hướng lưu thông máu, từ đó phát hiện ra các chứng tắc nghẽn động mạch hay bệnh lý về tim mạch của cả người trưởng thành lẫn thai nhi đang trong bụng mẹ.

Các kiến thức về hiện tượng Doppler đã góp phần không nhỏ giúp chúng ta hiểu thêm về vũ trụ xung quanh mình, đo đạc được hầu như tất cả mọi thứ và nhìn thấy bên trong cơ thể của chính mình. Những phát triển trong tương lai của ứng dụng này sẽ càng giúp khoa học đạt được những tầm cao mới, một trong số đó là nghiên cứu đảo ngược hiện tượng Doppler đang rất được quan tâm hiện nay. Trong tương lai có thể chúng ta sẽ chế tạo được những thứ chỉ có trong truyện khoa học giả tưởng, ví dụ như áo tàng hình chẳng hạn.

Nguồn theconversation