Dopplereffekte und Rotverschiebungen

Wir haben es wohl schon alle einmal erlebt: Während eines ruhigen Spazierganges durch die Stadt ertönt plötzlich eine schrille Sirene in unseren Ohren. Sie wird lauter und lauter je näher der heraneilende Krankenwagen auf uns zukommt, doch sobald er an uns vorbei gerast ist und sich wieder entfernt, wirkt die Sirene deutlich weniger hoch und schrill. François Duhesme erklärt uns was passiert, wenn Schall- und Lichtwellen zusammengestaucht werden und wie es dazu kommt.

Benannt nach seinem Entdecker Christian Doppler, tritt der Dopplereffekt auf, wenn sich eine Signalquelle (beispielsweise die Sirene eines Krankenwagens) und ein Zuhörer relativ zueinander bewegen: Nähern sie sich einander an, hört der Zuhörer einen höheren Ton, entfernen sie sich voneinander, klingt der Ton tiefer. Das liegt daran, dass die Schallwelle, die von der Sirene des Krankenwagens ausgeht, beim Näherkommen zusammengedrückt wird. Entfernt sich die Sirene wieder vom Zuhörer, zieht sich die Schallwelle dagegen auseinander. Im ersten Fall wird die Wellenlänger kleiner und damit der Ton höher. Im zweiten Fall vergrößert sich die Wellenlänge, was mit einem tieferen Ton einhergeht.

Grafik eines weißen Krankenwagens auf grauer Straße und mit blauem Himmel als Hintergrund. In der rechten Ecke erinnert ein gelber Schimmer an die Sonne.
Dopplereffekt

Neben dem akustischen Dopplereffekt – also einem, den man hört – gibt es auch einen optischen Dopplereffekt, den man sehen kann. Man nennt ihn relativistischen Dopplereffekt, da er erst mit Hilfe von Einsteins Relativitätstheorie vollständig erklärt werden konnte. Es gibt zwei große Unterschiede zum akustischen Dopplereffekt: Zum einen kann die Lichtgeschwindigkeit nie mehr als 299.793 Kilometer pro Sekunde betragen, egal, wie schnell sich Sender und Empfänger bewegen. Zum anderen hängt die Lichtgeschwindigkeit nur von den relativen Geschwindigkeiten von Sender und Empfänger zueinander ab. Dabei macht es für die Lichtwelle keinen Unterschied wer von beiden ruht oder sich bewegt. Bei Schallwellen ist dies anders. Die Wellenlänge der zusammengestauchten oder auseinandergezogenen Schallwelle hängt immer davon ab, ob und wie sich Sender und Empfänger relativ zu ihrem Trägermedium, etwa Luft, bewegen. Das heißt, die Dopplerwellenlänge ist eine andere, wenn sich die Senderquelle bewegt und der Empfänger ruht als wenn es genau andersherum ist. Da Lichtwellen kein Trägermedium besitzen (sie können sich auch in Vakuum fortbewegen), entfällt diese Unterscheidung.

Schwarzer Himmel mit bunten Punkten als Sternen, manche verwischt als Galaxien dargestellt.
Rotverschiebung eines Galaxiehaufens

Der relativistische Dopplereffekt tritt zum Beispiel zwischen Sternen und weit entfernten Galaxien auf: Entfernen sich zwei Sterne voneinander, kommt das Licht von einem der Sterne bei dem anderen „rotverschoben“ an. Ähnlich wie beim akustischen Dopplereffekt wird die Lichtwelle dabei auseinandergezogen und verlängert sich. Da rotes Licht langwelliger ist, verschiebt sich das Spektrum des Sternenlichts ins Rötliche. Bewegen sich die beiden Sterne dagegen aufeinander zu, führt dies zu einer „Blauverschiebung“ des Sternenlichts, die Lichtwellenlänge wird zusammengestaucht.

Solche Rot- und Blauverschiebungen können Wissenschaftler mit Teleskopen und Messgeräten beobachten. Allerdings ist nicht nur der relativistische Dopplereffekt die Ursache von solchen Erscheinungen. Auch das Schwerefeld eines Himmelkörpers selbst bewirkt eine Wellenlängenänderung von Lichtsignalen, die von ihm abgestrahlt werden. Die Schwerkraft, die ihren Ursprung in der Masse von Körpern hat, zieht die Lichtwellen förmlich zusammen. Daraus folgt, dass Lichtwellen, die sich zum Beispiel nah am Massezentrum eines Himmelskörpers befinden eine kürzere Wellenlänge besitzen als Lichtwellen die weiter entfernt sind. Diesen Effekt nennt man deshalb gravitative Rot- oder Blauverschiebung. Das Wort Gravitation stammt aus dem lateinischen gravitas, was auf Deutsch Schwere bedeutet. 

Grafische Darstellung einer Lichtwelle, die von der Sonne links als gelber Fleck im Bild nach rechts auf eine blaue Kugel, die Erde ausgeht. Die Lichtwelle ist als wellige Linie dargestellt, dessen Wellenberge und -täler links eng beieinander liegen und blau sind und nach rechts hin immer weiter auseinandergehen und von Grün über Gelb ins Rote gehen. Dunkelblauer Hintergrund.
Gravitative Rotverschiebung

Beide Effekte, der relativistische Dopplereffekt und die Gravitationsrotverschiebung gehen auf die von Albert Einstein begründete Relativitätstheorie zurück. Darin erklärt Einstein unter anderem, dass aufgrund der sogenannten Zeitdilatation die Zeit an verschiedenen Orten unterschiedlich schnell vergehen kann. So geht zum Beispiel eine Uhr, die sich weiter außerhalb des Schwerfeldes der Erde befindet, schneller als eine Uhr direkt auf der Erde. Dabei ist es wichtig anzumerken, dass die Schwerkraft keinen mechanischen Einfluss auf das Getriebe der Uhr hat, sondern die Raumzeit so krümmt, dass die Zeit an sich schneller (oder langsamer) vergeht. Das hat zur Folge dass Licht, das man von der Erde aussendet, immer langwelliger wird, je weiter man sich vom Zentrum der Schwerkraft entfernt.

Das mag auf den ersten Blick seltsam anmuten, doch siehe da: Im Jahre 1960 schickten die Wissenschaftler Robert Pound und Glen Rebka eine elektromagnetische Welle vom Keller ihres Forschungsinstituts in ein zwanzig Meter höher gelegenes Labor und stellten dabei einen kleinen aber messbaren Frequenzunterschied fest. Dieser Unterschied war eindeutig auf das Gravitationsfeld der Erde zurückzuführen. Und auch wenn dieser Effekt sehr klein war, so passte dessen Beobachtung doch wunderbar mit der Relativitätstheorie von Albert Einstein zusammen. Mehr über seine berühmte Theorie könnt ihr in François' Artikel Die Äquivalenzprinzipien des Albert Einstein nachlesen.

Übrigens vergeht die Zeit in bewegten Systemen auch anders als in ruhenden Systemen. Für einen Menschen, der sich in einem schnell fliegenden Raumschiff befindet, vergeht die Zeit langsamer als für einen Menschen, der sich dagegen auf der ruhenden Erde aufhält. Man nennt diesen Effekt auch Zwillingsparadoxon. Denn wären diese beiden Menschen Zwillinge, würde der Raumschiffflieger bei seiner Rückkehr weniger gealtert sein als sein eigentlich gleichaltriger Bruder.