Gibt es bei Licht den Doppler-Effekt?

Wissenschaft Physik
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Es war 1842, als C. Doppler den Effekt beschrieb, daß sich die Frequenz von Schallwellen erhöht, wenn sich die Quelle auf uns zu bewegt und erniedrigt, wenn sie sich wegbewegt …Hubble hat dann 1929 die Rotverschiebung von Spektren entdeckt und auf eine allgemeine „Fluchtbewegung“ im Weltall geschlossen. Heute, wo man
Entfernungen über Supernovae etc. auch für weiter entfernte Objekte genauer angeben kann, ist die Linearität der Verschiebung
als Funktion der Entfernung wunderschön nachgewiesen …kein an diesen Messungen …und dazu habe ich auch nichts Neues zu sagen oder zu fragen. Nur die Bezeichnung „Doppler-Effekt“ will mir nicht schmecken:
Wenn das Universum edxpandiert, wird das Licht auf seinem Weg zu uns quasi „auseinander gezogen“, also rotverschoben …sieht so aus, als käme dies exakt auf dasselbe heraus. Ein namhafter Potsdamer Astrophysiker, den ich fragte, warum dann allenthalben die Bezeichnung „Doppler-Effekt“ für die Rotverschiebung von Spektren üblich sei, antwortete „sprachliche Ungenauigkeit“. Das
reicht mir nicht aus. Ich denke, es ist mehr als eine sprachlich-historische Sache: Die Rotverschiebung wäre ja dann ein Maß für die Bewegungsgeschwindigkeit des Sterns/der Galaxie … ja, relativ zu was? Hatte nicht Einstein postuliert, daß es eine solche Information - Geschwindigkeit absolut - nicht geben könne?

Natürlich kann man sagen, damit stehen die astronomischen Messungen nicht im Widerspruch:sie geben in der Tat ja nur die Relativbewegung Stern/Galaxie zur Erde an. Diese Aussage, so unbezweifelbar sie ist, gefällt mir auch nicht so recht …

Meine Gedanken zu dieser „sprachlichen Ungenauigkeit“ mag ich hier nicht ausbreiten, jeder kann sie sich selbst machen. z.B.,
wenn die Rotverschiebung mitnichten ein Doppler-Effekt ist, sondern nur Folge des expandierenden Raumes, dann müßte Licht, das Stellen kontrahierenden Raumes durcheilt (in der Nähe eines schwarzen Loches ?) blau-verschoben oder jedenfalls weniger stark
rotverschoben sein, als „nach dem Doppler-Effekt zu erwarten“…
Irgendwann habe ich mal gelesen, auch Blau-Verschiebungen seien gelegentlich gemessen worden und die „blauen Einstein-Ringe“ erklärten sich daraus, daß die hinter der Gravitationslinse liegenden Galaxien jünger seien …

Geht es nicht auch einfacher? Gibt es bei Licht wirklich, d.h. auch im irdischen Experiment nachprüfbar, einen Doppler-Effekt?
Das sollte wirklich nur eine Wissenslücke von mir und von Experten leicht zu beantworten sein …
Es müßte dann auch die Rotverschiebung ein ganz klein wenig verschieden sein, je nach Jahreszeit/Bewegungsrichtung der Erde?
Eine Rechnung, ob sich diese (kosmisch gesehen minimale) Geschwindigkeitsdifferenz meßtechnisch erfassen läßt, kann auch nicht schwierig sein …und ganz sicher bin ich nicht der erste,
der über diese Frage laut nachdenkt: Physikalisch-kosmologisch gesehen, finde ich, es ist ein riesiger Unterschied, ob die beobachtete Rotverschiebung von Licht ein Resultat des „Doppler-Effekts“ oder einer Veränderung während der „Reise durch die Raumzeit“ ist …
Für Antworten bin ich dankbar …

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Hallo Klaus,

sprachlich-historische Sache: Die Rotverschiebung wäre ja dann
ein Maß für die Bewegungsgeschwindigkeit des Sterns/der
Galaxie … ja, relativ zu was? Hatte nicht Einstein
postuliert, daß es eine solche Information - Geschwindigkeit
absolut - nicht geben könne?

relativ zum Beobachter natuerlich. Salopp gesagt nimmt der expandierende Raum die Lichtquellen mit, weshalb sie sich voneinander entfernen. Umso schneller, je weiter sie von einander entfernt sind. Wuerden sich zwei sehr weit auseinander liegende Objekte mit genau der gleichen Geschwindigkeit bewegen, gaebe es auch keine Rotverschiebung. es ist also kein absolutes Bezugssystem noetig. Lediglich zwei sich voneinander entfernende Objekte.

Natürlich kann man sagen, damit stehen die astronomischen
Messungen nicht im Widerspruch:sie geben in der Tat ja nur die
Relativbewegung Stern/Galaxie zur Erde an. Diese Aussage, so
unbezweifelbar sie ist, gefällt mir auch nicht so recht …

Sie stimmt aber

Meine Gedanken zu dieser „sprachlichen Ungenauigkeit“ mag ich
hier nicht ausbreiten, jeder kann sie sich selbst machen.

wuerde uns aber interessieren

z.B.,
wenn die Rotverschiebung mitnichten ein Doppler-Effekt ist,
sondern nur Folge des expandierenden Raumes, dann müßte Licht,
das Stellen kontrahierenden Raumes durcheilt (in der Nähe
eines schwarzen Loches ?) blau-verschoben oder jedenfalls
weniger stark
rotverschoben sein, als „nach dem Doppler-Effekt zu
erwarten“…

Die Verzerrungen im Raum werden durch Gravitation verursacht. Im Bereich grosser Massen gewinnt oder verliert das Licht Energie und wird dadurch in der Frequenz verschoben.

Geht es nicht auch einfacher? Gibt es bei Licht wirklich, d.h.
auch im irdischen Experiment nachprüfbar, einen
Doppler-Effekt?

Ein Gravitationseffekt ist eindeutig nachgewiesen. Wie das jetzt mit Experimenten zum Dopplereffekt aussieht weiss ich nicht. Messungen im Frequenzbereich sind aber mit extremer Genauigkeit moeglich, so dass es dazu bestimmt auch schon Versuche gegeben hat.

Gruss, Niels

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Und wie es den gibt. Es gibt sogar Leute, die benutzen den jeden Tag im Labor :wink:

Ob es Schallwellen oder Lichtwellen sind, ist doch für den Effekt egal. Nur dass beim Schall die Geschwindigkeit von Sender und Empfänger relativ zum Medium (Luft) zählt, während Licht bekanntlich kein Trägermedium (‚Äther‘) hat. Da zählt nur die Relativgeschw. von Sender und Empfänger.

Das grosse Stichwort lautet Laserkühlung. Gab 97 den Nobelpreis dafür. Zur Laserkühlung mit Dopplereffekt gibt es eine prima Web-Page: http://jilawww.colorado.edu/bec/ Mit dem Prinzip kann man Atome auf nK (10^-9 K !!) abkühlen, the coldest thing in the universe…

Man stellt einen Laser ganz knapp rot unter einer Resonanzfrequenz eines bestimmten Atoms ein. Wenn das Atom auf den Laser zufliegt, sieht es das Licht blauer und damit stärker in Resonanz. Dann absorbiert es mehr Photonen, deren Rückstoss es zurücktreibt. (Photonen sind masselose Teilchen, aber für den Rückstoss zählt der Impuls, und der ist p=E/c also nicht Null.) Jetzt macht man das aus allen 6 Raumrichtungen, und nur noch ein ruhendes Atom wird von allen Lasern in Ruhe gelassen, weil ja deren Licht rotverstimmt ist.

Und wenn man das noch etwas raffinierter macht, kommt man bis zur Bose-Einstein-Kondensation in einer Atomfalle im Labor, usw usf…

Grüsse, Wendel

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Hallo Wendel,

vielen Dank für die Antwort…ja, obwohl ich nicht alles verstehe,verzeih´ bitte.
Wenn dem nun so ist, daß es einen Doppler-Effekt auch bei Licht gibt (ich finde das garnicht so selbverständlich, sondern das war
ja genau die Frage …eben weil Licht bekanntlich/angeblich kein Trägermedium =Aether hat) dann müße sich die in der Astronomie beobachtete Linienverschiebung aus 3 Komponenten zusammensetzen:
Doppler-Verschiebung +/- Gravitationsverschiebung +/- Dehnung der Lichtwelle beim Durchlaufen eines sich ausdehnenden Universums …wobei 2 und 3 dasselbe sein mögen. Hat man sowas schon mal gehört?
Du schreibst, …„man braucht kein anderes Bezugssystem“…na klar, das habe ich schon verstanden, aber meine Frage war doch:
wenn die Information „Geschwindigkeit des Senders plus/minus Geschwindigkeit des Empfängers“ in der Linienverschiebung enthalten ist, dann müßten sich die beiden Unbekannten über ein Gleichungssystem errechnen lassen, letzteres gemessen durch 2 etwas verschiedene Lienienverschiebungen auf zwei verschiedenen Stellen der Umlaufbahn der Erde (auf den Sender zu und vom Sender weg)… Also quasi doch wieder der alte
Michelson-Versuch, nur, daß wir nun nicht nach der Lichtgeschwindigkeit fragen, sondern nach der Frequenz-verschiebung. Man würde also doch die Relativgeschwindigkeit der
Erde und der fliehenden Galaxie bezüglich eines absoluten Bezugssystems ermitteln können, und das geht doch nicht?!

Da habe ich mir gedacht, wenn man sagt „kein Aether“, muß man auch sagen, „kein Doppler-Effekt bei Licht“…die Befunde der Astronomie erklären sich ja mindestens qualitativ auch anders, nämlich durch die Wellendehnung beim Durcheilen des expandierenden Raums?! Quantitativ ist es ein Unterschied, die Fluchtgeschwindigkeit wäre also zu korrigieren, oder ?! Quasi zu
halbieren, weil ja in der Tat die Raumdehnung die Bewegung von Sender und Empfänger verursacht.

Übrigens, es ist mir klar, daß der alte Lichtaether ganz schrecklich widersprüchliche Eigenschaften hatte. Also, den
will ich wirklich so(!)nicht wieder aufleben lassen. Aber Aether ist doch nur ein Name: wenn ich dem Raum bestimmte Eigenschaften zuordne, z.B. daß sich hierin ein „elektomagnetisches Feld“ (was immer das ist, diese Wellen ohne Wasser) nach den Maxwellschen Gleichungen fortpflanzt, könnte ich den Raum(in dieser und nur in dieser Beziehung) doch auch Aether nennen? Licht nennt man ja auch manchmal ein Teilchen und dann wieder eine Welle, und wir finden das heute überhaupt nichtmehr unüberbrückbar widersprüchlich.
Wortspielereien? Ich glaube, nicht. Jede Beschreibungsweise hat bestimmte logische Konsequenzen, und ich bin bloß dabei, diese
abzuklopfen.- Nach der string-Theorie ist ja auch das Vakuum keineswegs leer, sondern „Raum“ ist „etwas“, nicht nix…ich möchte das verstehen, ohne eine Mathematik mit 11 Dimensionen (davon 7 eingerollt) zu bemühen…finde das enorm spannend.

Zum Schluß: Deine blau-verschobenen Laser-Photonen kann man wohl nicht anders als nach Doppler erklären? Dass der Raum im Laser kontrahiert, kann man ja wohl angesichts der dort gegebenen Abmessungen sinnvoll nicht annehmen …natürlich ist aber die Uhr/Zeit des schnellen Atoms relativistisch, also die Schwingungsdauer der ausgesandten Lichtwelle…sorry, hier langts
dann nichtmehr bei mir. Und ohne Formeln geht´s dann wohl auch nicht mehr.

Beste Grüße,
Klaus

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Lieber Klaus,

ein kleines bischen kann ich Dir vielleicht noch helfen, aber von allgemeiner Rela habe ich auch nur ein Seminar gemacht. Dafür viel mit Dopplereffekt gearbeitet. Also, die Rotverschiebung und der Dopplereffekt haben erstmal nix miteinander zu tun.

Astronomie beobachtete Linienverschiebung aus 3 Komponenten
zusammensetzen:
Doppler-Verschiebung +/- Gravitationsverschiebung +/- Dehnung
der Lichtwelle beim Durchlaufen eines sich ausdehnenden
Universums …wobei 2 und 3 dasselbe sein mögen.

Gravitationsverschiebung: das Photon verliert auch Energie, um aus dem Schwerefeld herauszukommen, genau wie eine Rakete. Das gibt es auch im STATISCHEN Universum, sogar im Laborversuch: man schickt Licht auf einen Turm hoch und misst, dass es da röter geowrden ist (Methode: Mössbauereffekt)

Jetzt zu den DYNAMISCHEN Effekten: Unabhängig von kosmologischen Effekten, führt immer die Relativgeschwindigkeit zweier Bezugssysteme (Inertialsysteme) dazu, dass die Zeiten nicht genau dieselben sind und damit die Frequenz desselben Lichts leicht unterschiedlich gemessen werden. Ich glaube, die Ausdehnung des Raums bewirkt die Relativbewegung und DAMIT den Dopplereffekt. (Aber genau das hast Du ja auch schon geschrieben) Die Erklärung mit der Wellendehnung im ausdehnenden Raum ist, scheint mir, mehr eine anschauliche Umschreibung für die Messung des Lichts in zwei verschiedenen Bezugssystemen (Stichwort Lorentz-Transformation), also für den Doppler-Effekt.

Frequenz-verschiebung. Man würde also doch die
Relativgeschwindigkeit der
Erde und der fliehenden Galaxie bezüglich eines absoluten
Bezugssystems ermitteln können, und das geht doch nicht?!

Entweder relativ oder absolut :wink: Die Geschwindigkeit einer Galaxie relativ zur anderen Galaxie kann man messen, genau so macht man’s; aber das heisst eben, dass man kein absolutes Bezugssystem benutzt.

Übrigens, es ist mir klar, daß der alte Lichtaether ganz
schrecklich widersprüchliche Eigenschaften hatte. Also, den
will ich wirklich so(!)nicht wieder aufleben lassen. Aber
Aether ist doch nur ein Name: wenn ich dem Raum bestimmte
Eigenschaften zuordne, z.B. daß sich hierin ein
„elektomagnetisches Feld“ (was immer das ist, diese Wellen
ohne Wasser) nach den Maxwellschen Gleichungen fortpflanzt,
könnte ich den Raum(in dieser und nur in dieser Beziehung)
doch auch Aether nennen?

Das führt doch unweigerlich dazu, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant ist, weil relativ zum ‚Äther‘ gemessen. Es wäre schwer, das konsistent zu machen, und auch verschiedene Bilder müssen zueinander passen, dürfen nichts widersprüchliches produzieren. Ansonsten s.o.: ‚Wellendehnung‘ = Umschreibung für Lorentz-Transformation

Licht nennt man ja auch manchmal ein
Teilchen und dann wieder eine Welle, und wir finden das heute
überhaupt nichtmehr unüberbrückbar widersprüchlich.

Stimmt, aber hier sind ‚Welle‘ und ‚Teilchen‘ nur zwei Ansschauungen aus der (nicht quantenmechanischen) Alltagswelt, die manchmal nützlich sind, Intuition für eine ‚Materiewelle‘ zu entwickeln. Die ist das einzige, was es wirklich gibt, und das einzige, womit man alles korrekt rechnen kann, alles andere sind Vereinfachungen für Grenzfälle. Eigentlich ist es eine ganz grosse Ausnahme, dass sich eine Materiewelle wie eine klassische Welle oder wie ein klassisches Teilchen verhält.

Zum Schluß: Deine blau-verschobenen Laser-Photonen kann man
wohl nicht anders als nach Doppler erklären? Dass der Raum im
Laser kontrahiert, kann man ja wohl angesichts der dort
gegebenen Abmessungen sinnvoll nicht annehmen …natürlich ist
aber die Uhr/Zeit des schnellen Atoms relativistisch, also die
Schwingungsdauer der ausgesandten Lichtwelle…

Das ist schon die richtige Idee. Genau das macht die Lorentz-Transformation und damit der Doppler-Effekt. Die einzige Zutat der Kosmologie ist die Relativgeschwindidkeit.

Übrigens ist Laserkühlung bei einer anderen Grössenordnung. Da ist nichts relativistisch, es geht um Geschwindigkeiten von wenigen cm/s.

Hoffe, ich habe Dich nicht allzusehr zugeschwallt.
Beste Grüsse, Wendel

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Lieber Wendel,

Hoffe, ich habe Dich nicht allzusehr zugeschwallt.

nein, garnicht, ich finde es einfach prima, dass jemand in dieser Art auf meine Fragen und Vorstellungen eingeht. Darum ein dickes DANKE und noch ein paar Zeilen, weil ich erst im Januar wieder an den PC komme:

in den Details muß ich mich erst mal in Ruhe, die habe ich heute nicht, mit dem, was Du sagst, auseinandersetzen. Jetzt sehe ich erstmal meine Frage als beantwortet an, mit einem definitiven JA.
Worum es mir aber geht: es gibt dann doch aber 2 Ursachen für die Rotverschiebung von Spektren fliehender Galaxien…den eigentlichen Doppler-Effekt, wie er auch bei den Atomen bzw. deren Emission im Laser auftritt (klar, daß bei cm/sec kein relativistischer Effekt als andere, denkbare Ursache aufgeführt werden kann)und die Raumdehnung als solche. Stell dir mal vor, der Raum zwischen Sender und Empfänger würde sich dehnen, ohne daß sich beide voneinander entfernen (das ginge wohl, wenn der
Lichtweg nicht eine gerade Verbindung wäre) Dann wird die Lichtwelle beim Durcheilen des Raumes auch gedehnt, d.h. rotverschoben. Ich meine, ob dieses Gedankenexperiment nun sinnvoll ist oder nicht, es sind 2 verschiedene Effekte, die zur Rotverschiebung führen, die Raumdehnung und der Dopplereffekt…
das stimmt doch, obwohl natürlich Raumdehnung und Fluchtbewegung
auch quantitativ zusammenhängen…also würde sich die Rotverschiebung aus 2 -gleich großen- Komponenten zusammensetzen:
Doppler-Rotverschiebung (die könnte ich schon 1 cm von der Quelle
entfernt messen) und Dehnung im expandierenden Raum (die könnte ich, auch bei unbewegter Quelle, so denn der Raum sich trotzem dehnt, feststellen)
Nun ist aber die Fluchtgeschwindigkeit …ob sie konstant bleibt oder etwa abnimmt, mit der Zeit…verknüpft mit der Masse im Universum und da gibt es so ein Problem: man stellt nur einen Bruchteil der Masse (durch Summation aller Galaxien-Massen etc…)fest, die erwartet werden könnte. Darum werden so Klimmzüge gemacht wie „dunkle Materie“ und „Vakuum-Energie“ (wobei ich schon denke, dazu gibts noch viel zu forschen…was ist mit dem Licht oder Neutinos, auch wenn sie keine Ruhemasse haben, nach E=m x c2 ??..das aber nicht hier)…die wiederbelebte kosmologische Konstante, Einsteins „größte Eselei seines Lebens“
(sagte er selbst), ist ja auch so ein Versuch. Wenn nun aber ein Faktor 1/2 in die Rechnung kommt, sieht das recht anders aus…

Schau, ich finde keinen Denkfehler, und ich hoffe, dazu läßt sich auch ohne Lorentz-Transformation etc. was sagen…??
Auch bin ich mit dem alten Michelson-Versuch immer noch nicht klar, und da scheint mir, habe ich auch von niemendem eine Antwort bekommen: wenn der Mann nicht eine unterschiedliche
Lichtgeschwindigkeit bei der Erdbewegung hätte messen wollen, sondern nach der Linienverschiebung beim Sonnenumlauf der Erde (hin zur Quelle und weg von der Quelle) zu messen versucht hätte, müßte er eine solche nicht festgestellt haben? Da man die Bewegungsgeschwindigkeit der Erde kennt, entsteht ein Gleichungssystem mit 2 Gleichungen für 2 Unbekannte, nämlich die
Quellengeschwindigkeit und die Empfänger-Geschwindigkeit absolut (!) und wenn das nicht sein kann, dann stimmt doch in der ganzen Sache (d.h. meinem Denkansatz oder dem Einsteinschen Postulat,
daß eine Absolutbewegung grundsätzlich nicht feststellbar sei) etwas nicht…
Sorry, jetzt sage ICH ganz ernsthaft: hoffentlich habe ich Dich
(oder Euch für die, die das sonst noch lesen) nicht zugequasselt…aber ich halte es für fruchtbar, mich mit Widersprüchen zu beschäftigen und sie so rum oder so rum aufzuklären, nicht zu sagen: das ist abgegessen.
Nochmal danke und schöne Weihnachtstage!
Klaus