L'EFFETTO DOPPLER

    L’effetto Doppler prende il nome dal fisico austriaco Christian Johann Doppler il quale nacque nel 1803 a Salisburgo (Austria) dove esiste tuttora la casa con la lapide che lo ricorda e morì a Venezia, dove si era recato con la speranza che un clima più caldo potesse giovare alla sua salute malferma, all'età di cinquant'anni. Si laureò in matematica e astronomia presso l’Università di Vienna dove rimase per alcuni anni con la qualifica di assistente. Dopo aver cercato invano un posto stabile facendo domanda ai licei di Linz, Salisburgo, Gorizia e Lubiana, al Politecnico di Vienna (che lui stesso frequentò) e all’Istituto Tecnico di Praga, sfiduciato, era ormai deciso ad emigrare negli Stati Uniti quando gli fu offerto un posto di insegnante presso l’Istituto Tecnico di Praga. Nel 1842 presentò la sua celebre teoria alla Società Reale Boema in una memoria che trattava il fenomeno relativamente alla luce e non al suono dove in realtà è più facilmente osservabile.

    L’effetto Doppler rispetto al suono è un fenomeno piuttosto familiare e consiste nella variazione di frequenza di una sorgente sonora in moto rispetto ad un osservatore fermo. Tutti avranno notato che quando il fischio di una sirena si avvicina e poi si allontana, esso cambia di tono: il fischio di una sirena che si avvicina è acuto, mentre quello che si allontana è grave.

    Il suono è un fenomeno di natura ondulatoria, cioè una forma di energia che si propaga per onde. Un’onda, a sua volta, è un’oscillazione caratterizzata da alcuni parametri che sono la lunghezza, l’ampiezza e la frequenza.

    La lunghezza dell’onda può essere definita come la distanza fra due creste successive, cioè fra due punti in cui è massima l’altezza (o ampiezza dell’onda). La frequenza di un'onda non è altro che il numero delle oscillazioni compiute da uno stesso punto dell'onda (per esempio la cresta) nell'unità di tempo. E' facile misurare la frequenza di un'onda quando questa è visibile: ad esempio, per l'onda del mare, basta contare il numero delle volte che un galleggiante, posto sull’acqua, va su e giù in un determinato intervallo di tempo. La frequenza dell'onda dipende dalla sua lunghezza: se l'onda è lunga, in un certo intervallo di tempo si contano poche oscillazioni del galleggiante, quindi la frequenza è bassa; se l'onda è corta, nello stesso intervallo di tempo il galleggiante si sposta molte volte in su e in giù, quindi la frequenza è alta.

    Il mutamento di frequenza del suono di una sorgente in movimento è dovuto semplicemente al fatto che il numero delle onde che colpiscono il timpano, in un determinato intervallo di tempo, cambia con la direzione del movimento della sorgente sonora. Se la sorgente sonora si avvicina all’orecchio dell’ascoltatore le onde si infittiscono, divenendo perciò più corte; e se le onde sono corte, la loro frequenza è elevata e il suono risulta acuto. Nel caso di un allontanamento della sorgente sonora le onde si distendono, cioè diventano più lunghe e se le onde sono lunghe la frequenza è bassa e il tono si manifesta con un timbro più grave.

    Lo stesso Doppler aveva previsto che un fenomeno analogo si sarebbe dovuto verificare con la luce, in quanto anch’essa è una forma di energia che si propaga per onde. In effetti, nel 1848, il fisico francese L. Fizeau verificò la teoria di Doppler per la luce: per questo motivo oggi il fenomeno viene anche chiamato «effetto Doppler-Fizeau».

    Non è difficile giustificare l’effetto Doppler quando le onde sono visibili. Si immagini di tagliare, con un motoscafo in corsa, un treno di onde che gli viene incontro: la frequenza con cui il motoscafo taglia le successive onde sarà maggiore di quella che si avrebbe stando fermi e la distanza fra un’onda e l’altra sembrerà minore. Viceversa, se il motoscafo si muovesse nella stessa direzione delle onde avremmo la sensazione opposta se le onde avessero una velocità maggiore di quella del motoscafo, altrimenti le onde nemmeno lo raggiungerebbero. La verifica dell’effetto Doppler, nel caso delle onde del mare e del motoscafo in corsa è possibile, perché le velocità rispettive sono fra loro confrontabili.

    Nel caso del suono le onde non sono visibili ma è lo stesso possibile verificare "ad orecchio" l'effetto Doppler se la velocità del mezzo che si muove è all’incirca la stessa della velocità del suono: sono quindi sufficienti il fischio di un treno in corsa o le sirene di un'autoambulanza che passa veloce per evidenziare l’effetto. Infatti disponendo di una sorgente sonora che procede ad una velocità confrontabile con quella del suono, che è di circa 1000 km all'ora, l’effetto Doppler diventa evidente. Se il mezzo, ad esempio un aereo, si muovesse a velocità maggiore del suono questo verrebbe lasciato indietro. Invece nel caso della luce non è possibile verificare "ad occhio" l'effetto Doppler-Fizeau, perché sarebbe necessario disporre di una sorgente luminosa che procedesse ad una velocità molto elevata, confrontabile con quella della luce, che è dell'ordine del miliardo di kilometri all'ora.

    Anche se la verifica diretta non è realizzabile possiamo tuttavia descrivere ciò che si osserverebbe se una sorgente luminosa si allontanasse da un osservatore o gli si avvicinasse molto velocemente. Immaginiamo allora, in un esperimento ipotetico, una sorgente luminosa monocromatica, per esempio di colore giallo, che si avvicina rapidamente ad un osservatore fermo: la lunghezza dell'onda elettromagnetica che la contraddistingue diminuirebbe e la luce apparirebbe di colore viola. Se viceversa la stessa sorgente di luce gialla si allontanasse da quell’osservatore, l'onda elettromagnetica si stirerebbe divenendo più lunga e il colore della luce risulterebbe rosso.

    Si faccia attenzione a non lasciarsi ingannare dalle apparenze. Qualora si vedesse in cielo una stella rossa, come ad esempio è Aldebaran, l'occhio sanguigno del "Toro", questo non significherebbe affatto che quella stella si sta allontanando velocemente da noi: Aldebaran é rossa semplicemente perché quello è il suo colore normale.

    L'effetto Doppler-Fizeau si riferisce invece a cambiamenti di colore di corpi celesti (ad esempio galassie) che si spostano molto velocemente in direzione radiale. Poiché tali cambiamenti di colore non sono facilmente valutabili ad occhio, la verifica dell'effetto viene fatta utilizzando particolari strumenti di misura. In pratica si misura lo spostamento della posizione di determinate righe (corrispondenti ad elementi chimici) che compaiono sulle fotografie degli spettri di galassie lontane, rispetto alle righe presenti in spettri di sorgenti luminose ferme. L'aumento o la diminuzione della lunghezza dell'onda elettromagnetica comporta infatti uno spostamento proporzionale delle righe considerate verso il rosso o verso il violetto.