Tại sao hiệu ứng Doppler lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Hiêu ứng Doppler là một trong số những khái niệm quan trọng nhất và có sức ảnh hưởng nhất trong các phát hiện thiên văn học. Với sự ra đời của phát hiện này, các nhà khoa học có thể tích được tốc độ và phương hướng của các tinh cầu và dải Ngân Hà nằm ngoài khoảng cách vài triệu năm ánh sáng. Phát hiện đó đã dỡ bỏ tấm màn bí ẩn của dải Ngân Hà và các vì sao, nó còn giúp chúng ta tìm ra vật chất tối cùng sự vận hành và tuổi thật của vũ trụ. Phát hiện của Christian Doppler đã được ứng dụng trên mười mấy lĩnh vực khoa học, hiếm có khái niệm nào lại có được tầm ứng dụng quan trọng như thế. Phát hiện này được coi là cơ sở của khoa học, hầu hết các học sinh cấp 2 và cấp 3 đều được học khái niệm này ngay từ những bài học về khoa học đầu tiên.

Hiệu ứng Doppler đã được phát hiện ra như thế nào?

Christian Doppler sinh ra ở nước Áo, ông là một giáo viên dạy toán khá chật vật. Nói chật vật là do: thứ nhất, ông quá hà khắc đối với học sinh, điều đó đã khiến cho phụ huynh học sinh và các giáo viên hết sức phẫn nộ; thứ hai, ông muốn lý giải triệt để những khái niệm toán học và hình học mà bản thân ông giảng dạy. Từ những năm 20 đến những năm 30 của thế kỷ XIX, ông đã nhiều lần bước chân ra vào ngành giáo dục, và tuổi tác của ông theo đó cũng tăng dần từ gần 20 tuổi đến hơn 30 tuổi.

Vào cuối những năm 30 của thế kỷ XIX, x lửa có vận tốc 30 dăm/giờ đã có mặt khắp các con đường ở nông thôn. Trước đó, tốc độ di chuyển của con người vẫn chưa vượt qua được tốc độ của những con ngựa chậm chạp. Sau khi xe lửa ra đời, người ta liền chú ý đến sự chuyển động của vật thể gây ra ảnh hưởng đối với những âm thanh do vật thể phát hiện ra.

Christian Doppler quan sát rất kỹ sự vận động của xe lửa, ông bắt đầu suy đoán cái gì đã dẫn đến sự thay đổi những âm thanh mà ông quan sát được. Đến năm 1843, trong cách giải thích của Christian Doppler về quan điểm của chính ông đã bao hàm sóng ánh sáng, đồng thời ông đưa ra lý luận phổ biến: đối với người quan sát đứng yên không chuyển động thì sự chuyển động của vật thể sẽ dẫn đến sự biến đổi tần số của ánh sáng và âm thanh do vật sinh ra, tần số này hoặc là cao lên hoặc là thấp đi. Christian Doppler khẳng định chính sự biến đổi này đã giải thích được màu đỏ và màu xanh của chòm sao Song Tử xa xôi. Trong chòm sao Song Tử, ngôi sao nào chuyển động gần về phía trái đất thì tần số ánh sáng sẽ giảm và nó mang màu gần đỏ.

Năm 1844, Christian Doppler đã trình nên Hiệp hội khoa học Bohemian một bản luận văn. Trong luận văn ông đã đưa ra lý luận của riêng mình: Sự vận động của một vật thể chuyển động về phía người quan sát sẽ làm nén sóng âm thanh và sóng ánh sáng, nó có thể làm thanh điệu cao hơn và khiến tần suất của màu sắc cũng trở nên cao hơn (màu xanh). Nếu như vật thể lùi ra xa phía người quan sát thì hiện tượng đó sẽ xảy ra ngược lại (dần dần chuyển thành màu đỏ). Christian Doppler nói rằng đây chính là lời giải thích cho hiện tượng mỗi khi chũng ta quan sát những ngôi sao ở cách xa trái đất, tại sao ánh sáng của chúng ta lại có màu xanh và màu đỏ. Nếu như nói một cách chuẩn xác thì Christian Doppler đã đúng, nhưng ở vào thời đại của ông thì máy móc không thể nào quan sát được sự biến đổi siêu nhỏ này.

Người ta yêu cầu Christian Doppler phải chứng minh được lý luận của mình, nhưng ông lại không có cách nào có thể lấy ánh sáng để chứng minh, bởi vì kính viễn vọng và các thiết bị thời đó không đủ hiện đại. Do vậy mà Christian Doppler quyết đinh mượn âm thanh để giải thích nguyên lý của mình.

Thí nghiệm năm 1845 của Christian Doppler đã mang lại cho ông sự nổi tiếng. Ông mới một nhạc công đứng lên trên xe lửa, dùng kèn trumpet tấu một bản nhạc. Trên sân ga là một số các nhạc sĩ khác rất giỏi phân biệt âm, họ ghi chép lại những nhạc điệu nghe được mỗi khi xe lửa tiến lại gần và lùi ra xa ga. Khi so sánh những ghi chép của các nhạc sĩ đứng cố định dưới sân ga với khúc nhạc thực tế di động do nhạc sĩ chơi trên xe lửa thì ban đầu có cảm giác hơi cao sau đó lại hơi thấp.

Christian Doppler lại bố trí đội kèn thứ hai đứng dưới sân ga làm lại thí nghiệm. Khi xe lửa đi qua, họ thổi cùng một âm điệu với người nhạc công chuyển động cùng với xe. Người nghe có thể dễ dàng nhận ra sự khác biệt, các nốt nhạc của bản nhạc di động và các nốt nhạc của bản nhạc đứng yên có ảnh hưởng qua lại với nhau tạo thành những phách xung.

Sau khi Christian Doppler chứng minh sự tồn tại của hiệu ứng này, ông đã đặt tên cho nó là hiệu ứng Doppler. Thế nhưng, ông lại không được hưởng một ngày vinh quang nào mà ông theo đuổi. Christian Doppler qua đời vào năm 1853 và phải đến lúc đó giới khoa học mới bắt đầu công nhận và nhận ra giá trị to lớn trong phát hiện của ông.

schoolnet@