Bài giảngDao động và Sóng
(Phần 9)
3.5 Hiệu ứng Doppler
Hình v cho thấy hình ảnh sóngtạo ra bởi đầu nhọn của một thanhđang dao
độngchuyển độngtrongnước.Nếu thanhdaođộng tạichỗ, chúngtasẽ thấy hình
ảnh những đường tròn đồng tâm quenthuộc, tất cả có tâm ở chung một điểm.
Nhưng vì nguồn sóng đangdichuyển, nên bước sóng bị ngắnlại ở một phía và dài
ra ở phía bên kia.Hiện tượngnày gọi là hiệuứng Doppler.
Lưu ý rằng vận tốc sóng là mộttính chất ổnđịnh của môi trường, nên chẳng
hạn một sóng đang chuyển động về phía trướckhôngđược tăng cườngthêmtốc
độ kiểunhư một viên đạn được bắn raphía trước từ một chiếc máy bay.
Chúng tacũng có thể suy ra sự thay đổi tần số.Vì vậntốc là không đổi, nên
phươngtrìnhv = f λ cho chúng ta biết rằngsự thay đổi bướcsóng phải tươngxứng
với sự thay đổi ngượclại ở tần số: tần số cao hơn đối với sóng phátra phía trước,
và tần số thấp hơn đối với sóng phát ra phíasau. Hiệu ứngtần số Dopplerlà
nguyênnhânâm thanh sôi động quenthuộccủa trậnđua xeđang tiến tớigần. Khi
chiếc xeđangtiến tới phía chúng ta,chúng ta nghethấy âmcao hơn, nhưng saukhi
nó đi qua chúngta, chúng ta nghethấy tần số thấphơn bìnhthường.
v/ Hìnhảnh sóng tạo rabởimột nguồn điểmchuyển động sangbên phải
trên nước. Chú ý bước sóng ngắn hơn của sóngphát raphía trước và bước sóng
dài ra củasóng phát raphía sau.
Hiệu ứngDopplercũng sẽ xảy ra nếu nhà quansát đang chuyển độngcòn
nguồnphátthì đứng yên. Chẳng hạn,một người quan sát đang chuyển động về
phía nguồn cố định sẽ nhận đượcmột chỏm sóng,và khiđó sẽ bị bao vây bởi chỏm
sóng tiếp theo sớm hơn cô ta có trong trườnghợp khác, vì côta chuyển động về
phía nó và đẩy nhanh sự chạm trán của cô ta với nó. Nói đại khái, hiệu ứng Doppler
chỉ phụ thuộc vào chuyển động tương đối củanguồnphát và ngườiquan sát,chứ
khôngphụ thuộc vào trạng thái chuyển độngtuyệt đối của chúng (thứ không phải
là một khái niệm rõ ràng trongvật lí học) hay vào vận tốc tươngđối của chúng đối
với môi trường.
Tự giới hạn mình vớitrường hợp nguồn chuyển động, và với sóngphát ra

hoặc hướng thẳng tới hoặchướng ngượclại chiều chuyển động,chúngta có thể dễ
dàngtínhđượcbướcsóng, haytươngđương làtần số,củacác sóng bị lệchDoppler.
Đặt v làvận tốc của sóng, và v
s
là vận tốc của nguồn. Bướcsóng của sóngphát ra
phía trước bị ngắn lại mộtlượng v
s
T bằngkhoảngcách mà nguồn đi đượctrong
hành trìnhmộtchu kì. Sử dụng địnhnghĩa f = 1/T và phương trình v = f λ,chúng ta
tìm được bước sóngcủa sóng bị lệch Doppler
Một phương trìnhtương tự có thể sử dụng cho sóngphátra phía sau,nhưng
với dấu cộng thaycho dấu trừ.
Thí dụ thứ hai cho thấy dưới những điều kiện bình thường giới hạn trên mặt
đất, sự lệch Doppler củaánhsáng làkhôngđáng kể vì những đối tượng bình
thường dichuyển chậm hơnánh sáng rất nhiều. Tuy nhiên, nólà một câuchuyện
khác khinói tới các saovà thiên hà, và điều này đưa chúngta đến một câu chuyện
có hàmý sâu xađối với sự hiểu biết của chúngta về nguồn gốc của vũ trụ.
Ví dụ 8. Radar Doppler
Radarlần đầu tiên được sử dụng bởi người Anhtrong Thế chiến thứ hai: các
ăntentrên mặtđất gửisóng vôtuyến lên bầu trời, và dò tìm tiếng vọnglại khi sóng
bị phản xạ khỏi các máy baycủa Đức. Sau này, khôngquân muốn gắnănten radar
lên máy bay,nhưng khiđó có một vướng mắc,vì nếu mộtmáy bay muốnphát hiện
một máy bay khác ở cao độ thấp hơn, nó phải nhắm sóng vôtuyếncủa nó xuống
dưới,và khi đó nó sẽ thu được tiếng vọngtừ mặt đất. Giải pháp là phát minh ra
radar Doppler,trong đó tiếng vọngtừ mặt đất đượcphân biệt với tiếng vọngtừ
máy baykháctheo sự lệch Dopplercủa chúng.Mộtcông nghệ tươngtự được các
nhà khí tượng học sử dụng để lập bản đồ nhữngđámmây mưa mà không phải loại
trừ sự phản xạ từ mặt đất, cây cối và nhà cửa.
w/ Ảnhchụp bằng radarDopplercủa cơn bão Katrina,năm2005.
Sự lệch Doppler của ánh sáng

Nếu như sự lệch Dopplerchỉ phụ thuộc vào chuyểnđộng tương đối của
nguồnvà máy thu, thì khôngcó cách nào chomột người đangchuyển độngcùng
với nguồn và một người khácchuyển độngcùng với máy thu xác địnhai làngười
đang chuyển động vàai thì không. Người nào cũng có thể quy toànbộ sự lệch
Dopplercho chuyển độngcủangười kia và khẳng địnhmình đang đứng yên. Điều
này hoàn toànphùhợp với nguyên lí ban đầu do galileophátbiểurằng mọi chuyển
độnglà có tínhtương đối.
Mặtkhác, mộtphân tích thận trọngsự lệch Dopplercủa sóngnước haysóng
âm cho thấy, chỉ gần đúng,ở tốc độ thấp, rằng sự lệch đúng làphụ thuộc vào
chuyển động tương đốicủa nguồn và người quansát. Chẳng hạn, cókhả năng một
chiếc máy bay phảnlực giữ lại sóng âm riêngcủa nó, sao chosóng âmdườngnhư
vẫn đứng yên đối với người phicôngcủa máy bay.Người phi công khiđó biết cô ta
đang chuyển động chínhxác ở tốc độ củaâm thanh. Lí do điều này không bác bỏ
chuyển động tương đốilà người phicông không thậtsự xác định chuyển động
tuyệt đối của cô ta mà làchuyển độngtươngđối của cô ta với không khí, nó là môi
trường của sóng âm.
Einsteinnhậnra điều này giải quyếtđược vấn đề đối với sóng âm haysóng
nước, nhưngsẽ không cứu nguychonguyênlí chuyển động tươngđối trong
trường hợp sóng ánh sáng, vì ánh sángkhông phải là daođộngcủa bất kìvật chất
nào như nước hay không khí.Bắt đầu bằng cách tưởngtượngmộtchùm ánh sáng
sẽ trông như thế nào đối với một người đang lái xe môtô sátbên cạnh nó, cuối
cùng Einstein đã đi tới một cáchthức hoàn toàn mới để mô tả vũ trụ, trong đó
khônggian vàthời gian bị bóp méo khiđo bởi ngườiquan sát ở những trạng thái
chuyển động khác nhau. Làhệ quả của Lí thuyết tương đối này,ôngđã chứng minh
rằng sóng ánh sáng sẽ có độ lệch Dopplerđúngchính xác, khôngcòngần đúng, chỉ
phụ thuộc vào chuyển động tương đốicủa nguồnvà máy thu.
Big Bang
Ngay khicác nhà thiên văn bắt đầu nhìn lên bầu trời quakính thiên văn,họ
đã bắtđầu chú ý tớinhững đối tượng nhất định trông giốngnhư những đám mây
trong không gian sâu thẳm. Thực tế họ nhìn thấy giốngnhau từ đêmnày qua đêm

khác nghĩa là họ đã nhìn ra ngoài bầukhí quyển của trái đất. Không biết chúng thật
sự là gì, nhưngmuốnnghenói một cách trangtrọng,họ gọi chúng là “tinhvân”,
nghĩa là những“đámmây” nhưng xungquanhthì nguynga hơn. Vào đầu thế kỉ 20,
các nhà thiên văn nhậnra rằngmặcdù một số chúng thật sự là những đám mây khí
(ví dụ, “ngôi sao” ở giữa của lưỡigươm của chòm Orion, nótrông mờ mờ ngaycả
với mắttrầnkhi điều kiện thời tiết tốt), những tinhvân khác thì làcái ngày nay
chúng ta gọi là thiên hà: nhữngvũ trụ thực sự cô lập gồm hàngtỉ tỉ ngôi sao(ví dụ
như thiên hà Tiên Nữ,nó có thể trông thấy là một mảng mờ qua ống nhòm). Ba
trămnăm saukhi galileo phân giải Dải Ngânhà thành từng ngôi sao riêng rẻ qua
kính thiên văncủa ông,các nhà thiên văn nhậnthấy vũ trụ cấu thànhtừ những
thiên hàsao, vàDải Ngân hàđơn giản là phầnnhìn thấy của cái đĩa phẳngcủa thiên
hà củachúng ta, nhìntừ bên trong ra.
Điều nàymở ra nghiên cứu khoahọc về vũ trụ học, cấutrúcvà lịch sử của vũ
trụ như một tổng thể, lĩnh vực khôngđược khai phá nghiêm túc kể từ thời Newton.
Newton đã nhận thấy nếu hấp dẫn luôn luônlà lực hút, khôngbao giờ đẩy nhau,thì
vũ trụ sẽ có xu hướngco lại.Lời giải của ông cho bàitoán là thừa nhậnmột vũ trụ
vô hạn và phân bố đều vật chất, sao cho nó không có tâm hìnhhọc.Lực hấp dẫn
trong một vũ trụ như thế sẽ luôn có xu hướng triệt tiêu nhaudo đối xứng,nên sẽ
khôngcó sự co lại. Vàothế kỉ 20, niềm tin vàomột vũ trụ bất biến và vô hạn đã trở
thành một kiếnthứcthông lệ trong khoahọc, một phần là do phản ứnglại thời kì
đã lãng phí đi tìmlời giải thíchcủa nhữnghiện tượngđịa chất cổ đại dựa trên hóa
thạch đề xuất bởi các sự kiệnkinh thánh như nạn hồng thủy Noah.
Vào những năm 1920, nhà thiên vănhọc EdwinHubblebắt đầu nghiên cứu
sự lệch Dopplercủa ánh sáng phát ra bởi cácthiên hà. Từng làmộtcầu thủ bóng đá
ở trường học với thói nghiệmnicotinenghiêmtrọng,Hubblekhông sắp đặt làm
thayđổi bức tranh của chúng tavề sự bắt đầu củavũ trụ. Quyển tự truyệncủa ông
thậmkhí ít khi nhắc tới khám phá vũ trụ học mà ngày nayông được nhớ tới. Khi
các nhà thiên văn bắt đầu nghiên cứu sự lệch Dopplercủa các thiênhà, họ trông
đợi hướng vàvận tốc chuyểnđộng củatừngthiên hà sẽ về cơ bản là ngẫunhiên.
Một số đã và sẽ đi tới chúng ta, và ánhsángcủa chúngdođó sẽ bị lệch Dopplervề

đầu xanh của quang phổ, trong khimột số lượng bằng như thế được trôngđợi bị
lệch về phía đỏ.Cái Hubble tìmthấythay vìvậy là trừ một vài thiên hà rấtgần, tất
cả các thiên hà đều bị lệch đỏ, cho thấychúngđang lùixa khỏichúng ta ở một phần
lớn của tốc độ ánh sáng.Không những thế, mà các thiên hà ở càngxa thì lùi xacàng
nhanh.Tốc độ tỉ lệ thuận với khoảngcách của chúng đến chúng ta.
Liệu có phải đây nghĩalà tráiđất (hayít nhất là thiênhà của chúngta) là
trung tâmcủa vũ trụ ?Không,vì sự lệch Doppler củaánh sángchỉ phụ thuộc vào
chuyển động tương đốicủa nguồn và người quansát. Nếu chúng ta thấy mộtthiên
hà ở xa đang chuyển động ra xachúngta ở tốc độ khoảng 10%tốc độ ánhsáng, thì
chúng ta có thể chắc chắnrằng những nhà thiên văn sốngtrong thiênhà đó sẽ thấy
thiên hàcủa chúng ta đang lùi xakhỏi họ ở cùngtốcđộ theo hướngngược lại. Toàn
bộ vũ trụ có thể hình dunglàổ bánhđang trương phồng của bánh mì nhân nho
khô.Khi bột dãn nở, càng lúccàng có nhiều không gian giữacác hạt nho khô. Hai
hạt nhocàng cách xanhau, thì tốc độ mà chúngdời ra xanhau cànglớn.
x/ Thiên hà M51. Dưới sự phóng đại cao, nhữngđám mây sữa tự bộc lộ
chúng gồmhàng tỉ tỉ ngôisao.
y/ Làm thế nào các nhà thiên văn biết hỗn hợp nào của bước sóngmà một
ngôi saophát raban đầu để họ có thể nói độ lệch Dopplerlà baonhiêu? bức
ảnh này (thuđược bởi tácgiả với thiết bị tốn khoảng5 đô la, và không cókính
thiên văn) cho thấy hỗnhợp màu sắc phát rabởi ngôi sao Sirius(Nếu bạn có sách
in trắng đen, thìmàuxanh ở bên trái và màuđỏ ở bên phải) Ngôi saotrông có màu
trắng hay trắng hơi xanhđối với mắt, nhưng bất kìánh sáng trôngcó màutrắng
nếu nó gồm đại thể một hỗn hợp ngangbằng củacác màu cầu vồng, tức là của mọi
sóng sinthuầnkhiết có bước sóngnằmtrongvùng nhìn thấy.Hãy chú ý “kẽ răng”
màu đen.Đây là dấu vân taycủa hydrogentrong khí quyển bên ngoài của Sirius.
Những bước sóngnàybị hấp thụ chọn lọc bởi hydrogen.Sirius nằm trong thiên hà
của chúng ta, nhưng những ngôi sao tươngtự nằmtrong những thiên hàkhác cũng
sẽ hình ảnh chungbị lệch về phía đầu đỏ, xác nhận chúngđangchuyển độngra xa
chúng ta.
z/ Kính thiên văn tại núiWilsonmà Hubble sử dụng.

Suy ngược lại thời gianbằng cácđịnh luật vậtlí đã biết, vũ trụ càng sớm hơn
càng phải đậmđặc hơn.Tại mộtđiểm nào đó,nóphải cực kì đậm đặc và nóng, và
chúng ta thậm chí cóthể phát hiện ra bức xạ từ quả cầu lửasơ khai này, dưới dạng
bức xạ vi sóng tràn ngập không gian.Cụm từ Big Bangbanđầu đượcđặt rabởi
những người nghingờ lí thuyết đó làm cho nó nghethật buồncười, nhưngnó đã
trụ được, và ngày nay về cơ bản thì mọi nhàthiên văn đều chấp nhận lí thuyết Big
Bang dựa trên bằngchứng rất trực tiếp về sự lệch đỏ vàbứcxạ nền vũ trụ.
Big Bang chẳng phải là cái gì
Cuối cùng, cầnphải chú ý rằngBigBang chẳng phải là cái gì.Nó khôngphải
là lời giải thích tại saovũ trụ tồn tại. Nhữngcâu hỏi như thế thuộc về lĩnh vực tôn
giáo, không phải khoa học. Khoa học có thể tìm thấy những lời giảithích ngày càng
đơn giản hơn và cơ bản hơncho nhiều hiện tượng đa dạng, nhưngcuối cùngkhoa
học coi vũ trụ như nó vốn như vậy theocác quansát.
Hơn nữa,có một khuynhhướng không hay,thậm chí trong số nhiềunhà
khoa học, nói BigBang là một líthuyết mô tả sự kiện rất đầu tiên trong vũ trụ, cái
gây ra mọithứ sau nó. Mặc dù đúng làthời gian có lẽ có mộtsự bắt đầu (thuyết
tương đối rộngcủa Einstein thừa nhận mộtkhả năng như thế), nhưngcácphương
pháp khoahọc chỉ có thể hoạt độngtrong mộtphạm viđiềukiện nhất định như
nhiệt độ và ápsuất. Vượtquá nhiệt độ khoảng10
9
độ C, chuyểnđộng nhiệt ngẫu
nhiêncủa cáchạt hạ nguyên tử trở nên nhanhđến mức vận tốc củanó cóthể so
sánh với tốc độ ánh sáng.Đủ sớm tronglịch sử vũ trụ, khi nhữngnhiệt độ này tồn
tại, vật lí Newton trở nên kémchính xác, và chúngta phảimô tả tự nhiên bằng một
mô tả tổng quát hơn cho bởi thuyết tương đối Einstein, nó baohàmvật lí học
Newton là mộttrườnghợp đặcbiệt. Ở nhữngnhiệt độ cao hơn nữa, vượt quá
khoảng 10
33
độ, cácnhà vật líbiết rằng lí thuyết Einsteincũng sẽ bắt đầu thất bại,
nhưng chúngta khôngbiết làm thế nào xâydựng lí thuyết tổng quáthơnnữa của

tự nhiên sẽ hoạt độngở những nhiệt độ đó. Chodù vậtlí học tiến bộ được bao
nhiêu, thìchúng ta sẽ không baogiờ có thể mô tả tự nhiên ở những nhiệt độ cao vô
hạn, vìcó một giới hạn cho nhiệt độ mà chúng ta có thể khảo sát bằng thí nghiệm
và quansát để chỉ dẫn chúng ta đến lí thuyếtđúng.Chúng ta hài lòng rằngmình đã
hiểu được nềnvật lí cơ bản bao hàmtrongsự tiến hóa của vũ trụ bắt đầumột vài
phút sauBigBang, vàchúng ta cólẽ cóthể lần ngược lại hàngmili giây haymicro
giây sau nó, nhưng chúngta không thể sử dụng các phương pháp khoahọcđể xử lí
sự bắt đầu của bản thân thờigian.
A. Nếu một chiếc máy bay chuyển động ở đúngtốc độ âm thanh,thì bước
sóng của phần phát ra phía trước của sóngâm do nóphát ra bằngbao nhiêu ?Điều
này phải hiểu như thế nào, và điều gì đã thậtsự xảy ra ? Điều gì xảy ra nếunhư nó
chuyển động nhanh hơn tốc độ âm thanh? Bạn có thể sử dụng thôngtin này để
giảithích cáibạn nhìn thấy ở hình aa và ab haykhông ?
B. Nếu các viênđạn baychậmhơn tốc độ âm thanh, thìtạisao một chiếc máy
bay chiến đấu siêu thanhbắt kịp âm thanh riêng của nó, nhưng khôngbắt kịp
những viên đạn riêng của nó?
C. Nếumột ai đó ở trong mộtchiếc máy baynói chuyện với bạn, thì lời nói
của họ có bị lệch Doppler không ?
a