Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой

В водоёме перемещается волна изменений высоты поверхности воды. Её делает волной то, что сами молекулы воды не разбегаются от камушка. Молекулы воды лишь движутся вверх и вниз, подобно людям на стадионе. Ничто фактически не исходит от камушка. Так только кажется, поскольку расходятся высокие и низкие положения воды.

Звуковые волны несколько отличаются. В случае звука движется волна изменений давления воздуха. Молекулы воздуха немного перемещаются из стороны в сторону, по направлению от трубы или какого бы то ни было источника звука, и снова назад. Делая это, они наталкиваются на соседние молекулы воздуха и заставляют их тоже двигаться назад и вперёд. Те, в свою очередь, наталкиваются на своих соседей, и в результате волна соударений молекул — которая представляет собой волну изменения давления — расходится от трубы во всех направлениях. И именно волна движется от трубы к вашему уху, а не сами молекулы воздуха. Волна перемещается с постоянной скоростью, независимо от того, является ли источник звука трубой, голосом говорящего или автомобилем: около 1200 километров в час в воздухе (вчетверо быстрее под водой, и ещё быстрее в некоторых твёрдых телах). Если вы играете верхнюю ноту на трубе, скорость, с которой перемещаются волны, остаётся прежней, но расстояние между гребнями волны (длина волны) становится короче. Играйте нижнюю ноту, и гребни волны растянутся больше, но волна все ещё будет двигаться с той же скоростью. Таким образом, у высоких нот длина волны короче, чем у низких.

Это к вопросу о том, что представляют собой звуковые волны. Теперь по поводу допплеровского смещения. Представьте себе, что трубач, стоящий на заснеженном склоне, играет длинную, непрерывную ноту. Вы садитесь в сани и проноситесь мимо трубача (я выбрал сани вместо автомобиля, потому что они бесшумные, поэтому вы можете слышать трубу). Что вы услышите? Последовательные гребни волн покидают трубу на определённом расстоянии друг от друга, в зависимости от ноты, которую захотел сыграть трубач. Но когда вы несётесь по направлению к трубачу, ваше ухо будет получать последовательные гребни волн с большей скоростью, чем если бы вы неподвижно стояли стояли на вершине. Поэтому нота трубы будет звучать выше, чем она есть на самом деле. Затем, после того как вы пронеслись мимо трубача, в ваше ухо будут попадать последовательные гребни волн с меньшей скоростью (они будут казаться более растянутыми, потому что каждый гребень волны перемещается в том же направлении, что и ваши сани), поэтому кажущаяся высота ноты будет ниже, чем она есть на самом деле. То же самое происходит, если ваше ухо неподвижно, а источник звука движется. Говорят (я не знаю, насколько это правда, но это хорошая история), что Христиан Доплер, австрийский учёный, обнаруживший этот эффект, нанял духовой оркестр играть на открытой железнодорожной платформе, чтобы его продемонстрировать.

Мелодия, которую играл оркестр, внезапно опустилась на более низкий тон, когда поезд пропыхтел мимо поражённой публики.

Световые волны опять же отличаются — совсем не похожи на Мексиканскую волну и совсем не похожи на звуковые волны. Но они создают свой собственный вариант доплеровского эффекта. Вспомните, что красный конец спектра имеет большую длину волны, чем синий, с зелёным посередине. Предположим, все оркестранты на железнодорожной платформе Христиана Доплера одеты в жёлтую униформу. Когда поезд мчится по направлению к вам, ваши глаза получают гребни волн с более высокой скоростью, чем они получали бы, если бы поезд стоял. Поэтому есть небольшое смещение в цвете униформы по направлению к зеленой части спектра. Теперь, когда поезд прошёл мимо вас вас и мчится от вас, происходит обратное, и униформа оркестра становится чуть краснее.

Лишь одно неправильно в этом примере. Для того, чтобы вы заметили синее или красное смещение, поезда должны перемещаться со скоростью в миллионы километров в час. Поезда нигде не мчатся со скоростью, достаточной, чтобы стал заметён цветовой эффект Доплера. Но галактики мчатся. Смещение спектра к красному концу, которое вы можете ясно видеть в положениях линий штрихкода натрия на рисунке на странице 172, показывает, что очень отдалённые галактики удаляются от нас со скоростью в сотни миллионов километров в час. И чем они дальше (если измерять в «стандартных свечах», о которых я упоминал выше), тем быстрее они мчатся от нас (тем больше красное смещение).

Все галактики во Вселенной стремительно удаляются друг от друга, что также означает, что они стремительно удаляются и от нас. Не имеет значения, в какую сторону вы направляете свой телескоп — более удалённые галактики движутся прочь от нас (и друг от друга) со всё увеличивающейся скоростью. Вся Вселенная — сам космос — расширяется с грандиозной скоростью.