Всем нам попадались на пути машины пожарных, скорые и другой транспорт с сиренами и мигалками. Если мы стоим на месте, а они проезжают мимо, то можно заметить, как меняется звук спецсигнала. Тон приближающейся сирены высокий; когда она оказывается прямо напротив нас, тон понижается, а когда машина вместе с сиреной уносится вдаль, тон становится еще ниже. Так, стоя на обочине, сами того не желая, мы наблюдаем важнейшее свойство всех волн, которое описал австрийский физик Кристиан Доплер.

Для описания волн используют две основные характеристики: частоту – число пиков волн в секунду и длину – расстояние между верхними точками волн. В формуле они связаны через скорость: если мы знаем две из этих трех величин, то можем вычислить оставшуюся.

Вернемся к эффекту Доплера. Предположим, машина с сиреной не едет, а стоит в паре сотен метров от нас. В этом случае мы слышим звук сирены на одной частоте, он не меняется. Пики звуковых волн достигают наших ушей через равные промежутки времени. Если же эта машина тронется в нашу сторону, то к движению звуковых волн добавится движение машины. Источник волн теперь не неподвижен, он приближается к нам. Поэтому пики волн будут достигать наших ушей чаще: скорость движения волн сложится со скоростью движения машины. Звук станет выше – высота звука зависит от частоты звуковых колебаний. Когда машина будет удаляться, наступит обратный эффект – пики волн будут достигать наших ушей реже, звук станет низким.

Эффект Доплера распространяется на все виды волн, в том числе и световые. Именно он помог понять, что наша Вселенная расширяется: потому что свет от галактик доходит до нас с низкой частотой, то есть находится в красной части спектра. Когда источник света приближается, волны укорачиваются, спектр смещается в фиолетовую сторону.