Явление Доплера

В ноябре мировое научно-техническое сообщество отмечает 205-летие со дня рождения физика, математика и астронома Кристиана Доплера

Современную медицину трудно представить без ультразвуковой диагностики, в основе которой — физический эффект, названный именем его первооткрывателя Кристиана Доплера. В водовороте забот мы редко задумываемся над историей открытия теперь широкоизвестного явления. А тем не менее она интересна и поучительна.

От ассистента до профессора

Кристиан Андреас Доплер родился 29 ноября 1803 года в австрийском Зальцбурге в семье известных еще с 1674 года каменщиков. Унаследовать семейную профессию из-за слабого здоровья мальчику не было суждено. Быстро промелькнули годы учебы в начальной школе в Зальцбурге и средней — в Линце. В 1822 году юноша начал изучать математику в Венском политехническом институте, а со временем — высшую математику, механику и астрономию в Венском университете, после чего был назначен ассистентом профессора.

Доплер заявил о себе как о талантливом ученом еще до своего тридцатилетия. За четыре года он опубликовал четыре научных труда, которые стали значительным вкладом в теорию параллелей. Но получить должность профессора в Австрии в то время было нелегко: способность претендента к самостоятельной научной работе не принималась во внимание, и полтора года Доплеру пришлось работать бухгалтером на текстильной фабрике.

Борьба за существование изнуряла. Он уже решает эмигрировать в США, но неожиданно поступило предложение занять должность профессора в Пражской технической средней школе. И хотя преподавание элементарной математики не совсем отвечало научным устремлениям амбициозного Кристиана, дополнительный заработок был крайне необходим: в 1836 году он женился. В конце 1837 года Доплера наконец приобщили к преподаванию практической геометрии и элементарной математики в политехникуме, но право занимать профессорскую должность он получил лишь в марте 1841 года.

Гениальность — во всем

Преподавание в политехникуме было нелегким из-за чрезвычайно жестких требований и недоверия со стороны чиновников от образования, особенно во время экзаменов. Из-за ухудшения здоровья в 1844 году Кристиану пришлось отказаться от преподавательской работы. Выдающийся ученый Бернард Больцано, всячески поддерживавший Доплера в тяжелое для него время, писал: «Трудно поверить, какого плодовитого гения получила Австрия в этом человеке. Я обращался ко многим людям, которые могли бы сохранить Доплера для науки и не дать ему умереть в ярме. К сожалению, боюсь самого худшего…»

Революционные события 1848 года положительно сказались на уровне самосознания молодого ученого. В январе 1850 года его назначают первым директором нового Института физики при Венском университете. Именно на это время приходится пик его творческих достижений.

Биографы отмечают, что, несмотря на неоднозначность оценок его первых работ, особенно по математике, гениальность Доплера-ученого проявлялась во всем. 25 мая 1842 года он прислал в Королевское научное общество Богемии статью «О цветном свете двойных звезд и других звезд в небе». В ней изложен принцип, объясняющий зависимость частоты света от скорости движения источника и наблюдателя относительно друг друга. Доплер указал на правильность открытого им принципа для распространения света и звука как колебаний в форме продольных волн в эфире и веществе. И хотя не все так просто складывалось с доказательством физической сути этого явления, ученый уже тогда был убежден в большим будущем открытого им явления для физики и астрономии, в частности для проведения точных измерений движения наиболее отдаленных небесных тел.

Если исследование светооптических эффектов с помощью несовершенной тогдашней измерительной техники было практически невозможным, то в исследовании звуковых явлений все сложилось как нельзя лучше.

Чрезвычайно оригинальны проведенные в 1845 году эксперименты при участии музыкантов, игравших в вагоне поезда во время его движения при одновременной регистрации изменений звуков другими специально обученными музыкантами: они делали отметки во время приближения и удаления поезда с игравшими музыкантами. В 1846 году Доплер сформулировал еще одну версию своего принципа на основе анализа одновременного движения источника и наблюдателя.

 Несмотря на все научные достижения, восхождение Доплера на научный олимп было нелегким. Только в 1840 году его избрали ассоциированным членом Королевского научного общества — и это при многочисленных опубликованных работах! В 1847 году его избирают секретарем, после чего он становится одним из лидеров научного общества. Этот триумф Бернард Больцано оценил как победу любви к науке над узколобием и заносчивостью чиновников. В 1848 году Доплер стал членом Императорской академии наук в Вене и получил почетную докторскую степень Пражского университета.

Однако его пребывание на должности первого директора Института физики Венского университета было непродолжительным. Здоровье постоянно ухудшалось. Не помогло даже путешествие в Венецию осенью 1852 года: надежды на то, что теплый климат принесет облегчение, не оправдались. В марте 1853 года стало очевидно, что он угасает, и жена, оберегавшая его в течение всей жизни, отправилась в Венецию, где и оставалась с ним до самой его смерти.

Большое видится на расстоянии

Отдавая дань уважения выдающемуся ученому, теперь, с расстояния более полутора столетий от открытия явления Доплера, стоит рассмотреть сферы его применения. Так, на эффекте Доплера работают современные гидролокационные и радиолокационные системы. В астрономии явление Доплера используют для определения скорости звезд и туманностей. Все службы космического наблюдения построены на основе использования принципа Доплера. На нем базируется система диагностических исследований в медицине. Например, в клинической и лабораторной практике широко используют приборы для исследования гемодинамической функции (пульсация сосудов, наличие газовых и других эмболов в кровотоке, движение клапанов и стенок сердца), для ультразвуковой диагностики беременности, многоплодия, расположения плаценты, определения работы сердца плода и др. Создаются новые конструкции локационных систем на новой технической основе, в частности с использованием непрерывного и импульсного излучений.

Потолкуем?

Эффе?кт До?плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приемником, вызванное движением их источника и движением приемника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включенной сиреной. Предположим, сирена выдает какой-то определенный тон, и он даже не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издает сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издает сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издает сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, наблюдатель услышит более низкий тон вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Был ли эффект Доплера результатом озарения его гениального ума или блестящая идея уже вызревала в недрах человеческого разума? Во многих источниках находим, что независимо от Кристиана Доплера пятью годами позже это явление было описано Арманом Ипполитом Луи Физо (1819—1896), предложившим исследовательский метод интерференции при больших разницах хода. В 1848 году он указал на возможность измерения скорости движения небесных светил вдоль луча зрения по сдвигу линий их спектра, то есть на основе эффекта Доплера. В 1849 году разработал метод определения скорости света в земных условиях (метод Физо), установил влияние движения среды на скорость распространения света в ней (опыт Физо), что получило дальнейшее развитие в изучении электродинамики движущихся сред. Он разработал интерференционные методы измерения коэффициентов расширения твердых тел и определения угловых диаметров звезд.

К историческому экскурсу следует добавить имя профессора Аристарха Аполлоновича Белопольского (1854—1934). В Пулковской обсерватории советский астроном наблюдал на меридианном круге положение звезд с большими собственными движениями, планет и комет, определял лучевые скорости небесных светил. Не удовлетворившись доказательством принципа Доплера путем наблюдения лучевых скоростей звезд, он построил оригинальный прибор для экспериментального подтверждения эффекта Доплера для световых лучей. С помощью звездного спектрографа сфотографировал спектр солнечной короны. Но все это было уже после Доплера.

Прозрение поэтов

В VI главе «Евгения Онегина», противопоставляя медленное путешествие Лариных в Москву традиционно быстрой русской езде, Пушкин пишет:

Автомедоны наши бойки,

Неутомимы наши тройки,

И версты, теша праздный взор,

В глазах мелькают, как забор.

Поражает, насколько точно Пушкин описал сущность физического принципа зависимости частоты миганий объекта от скорости движения наблюдателя! Так за 13 лет до Доплера Пушкин понял важность этого явления. Случайно ли это? Нет, поскольку в авторских примечаниях к «Евгению Онегину» поэт отмечает, что приведенное сравнение он позаимствовал у некоего К., известного живым воображением, который рассказывал, что, будучи направлен курьером от князя Потемкина к императрице, ехал так быстро, что шпага его высунулась из брички и стучала по верстам, будто по забору. Это пример одновременного проявления эффекта Доплера для звука и света. Ведь известно, насколько взвешенно и придирчиво подходил Пушкин к тому, что писал. Как удивительно сошлись две гениальные фигуры!

Особенности распространения света в пространстве были предметом внимания и великого азербайджанского поэта и мыслителя Гянджеви Низами. В своем произведении «Искандер-Наме» более 600 лет тому назад он написал: «Что б ни встретил наш взор, — встретил гневно иль нежно, через воздух пройти должен взор неизбежно». И еще: «Взор не сам лиходействует, ведь перед ним не всегда поражаемый был недвижим…»