Christian Andreas Doppler

Der Doppler-Effekt als Universalschlüssel zu Bewegungen im Weltraum

Christian Andreas Doppler (1803-1853), Physiker und Mathematiker

Christian Andreas Doppler wurde am 29. November 1803 in Salzburg als Sohn eines Steinmetz geboren. Seine mathematische Begabung wurde im dortigen Gymnasium von seinem Lehrer Simon Stampfer frühzeitig entdeckt. Dieser bekam eine Anstellung an der Wiener Technischen Hochschule, wohin er auch seinen besten Schüler mitnahm.

Doppler beendete 1835 in Wien seine Studien und wurde Assistent für höhere Mathematik, allerdings ohne feste Anstellung. In dieser unsicheren Lage hatte er schon sich darauf vorbereitet, nach Amerika auszuwandern, da erhielt er die Chance einer Stelle als Mathematiklehrer an einer Oberrealschule in Prag, das zur damaligen Zeit zum Königreich Österreich-Ungarn gehörte. Sechs Jahre blieb er Lehrer an der Schule. In diese Zeit sollte er sich eine Krankheit holen, die ihn bis zu seinem Tod begleitete: Tuberkulose. Er wurde 1841 als Physikprofessor an die Prager Technische Hochschule berufen. Als solcher veröffentlichte er 1842 eine zwanzigseitige Abhandlung, die ihn berühmt werden ließ: "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels".

In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts begann die Entwicklung und Ausbreitung des Eisenbahnnetzes, und mit der Eisenbahn als dem schnellsten Gefährt konnte erstmals allgemein das Phänomen erfahren werden, daß die Pfeife eines Zuges beim Entgegenkommen heller klang und nach dem Vorbeifahren tiefer erschien. Doppler erkannte dieses Phänomen als eine Gesetzmäßigkeit von Wellen, nämlich daß die Schallwellen beim entgegenkommenden Objekt durch den Geschwindigkeitsunterschied zum Wahrnehmenden gestaucht werden und somit mehr Wellen pro Zeit beim Wahrnehmenden ankommen. Dieser nimmt durch die "Stauchung" einen höheren Ton bzw. eine höhere Frequenz wahr. Dagegen werden die Schallwellen beim sich entfernenden Objekt durch den Geschwindigkeitsunterschied zum Wahrnehmenden gedehnt, und somit kommen weniger Wellen pro Zeit beim Wahrnehmenden an. Dieser nimmt durch die "Dehnung" einen tieferen Ton bzw. eine niedrigere Frequenz wahr. Die relative Geschwindigkeit in Richtung der Sichtachse zum Betrachter wird Radialgeschwindigkeit genannt. Genau diese macht der Doppler-Effekt somit meßbar.

Sheliak-Animation
In seiner Abhandlung wollte Doppler seine Erkenntnis auch auf die Sterne anwenden und gleichsam die Farben der Sterne erklären. Doppler schrieb (Zitat nach K. H. Schwarz): Man fühlt sich daher sehr zu der Meinung hingezogen, dass sämtliche Gestirne des Himmels an und für sich im weissen oder schwach gelblichen Licht schimmern und dass, wenn dieses bei einzelnen anders gefunden wird, ein Grund dafür bestehen müsse welcher mit der grossen Geschwindigkeit ihrer Bewegung höchst wahrscheinlich in einem nicht bloss zufälligen, sondern notwendigen Zusammenhange steht. [...]
Es erklärt sich hieraus ganz einfach:
1. Warum von beiden Doppelsternen der grössere und somit wahrscheinlich relativ unbewegliche Zentralstern fast ausnahmslos weiss, der beigegebene dagegen meistenteils farbig erscheint!
2. Warum in diesem letzteren Falle der eine fast immer mit einem Lichte glänzt, welches dem oberen Teil des Farbenspektrums zugehört (also grün, blau, violett), der zugehörige dagegen mit einer Farbe aus dem unteren Teile desselben (also rot, orange oder gelb). Denn bei gleich grossen Doppelsternen kann füglich angenommen werden, dass der eine (violetter erscheinende) in der Annäherung begriffen ist, während sich der andere (rötlicher erscheinende) von uns entfernt.

Wäre Doppler Astronom gewesen, so hätte er möglicherweise anhand von Beobachtungen diese Annahmen vor der Veröffentlichung belegen wollen. Er hätte bemerkt, daß sich die sichtbaren Farben von Doppelsternen nicht ständig ändern. Und er hätte zudem vielleicht Doppelsterne gefunden, die beide um ein gemeinsames Schwerefeld kreisen, von denen aber trotzdem der eine Stern farbig, der andere eher weiß oder gelblich scheint. Und er hätte vielleicht noch viele andere Sterne und Sternensysteme gefunden, die seinen Annahmen widersprochen hätten. Was dies für die Veröffentlichung bedeutet hätte, sei dahingestellt. Doppler war aber Physiker und Mathematiker. Er notierte seine Theorie ohne Berücksichtigung der Realität in seiner Veröffentlichung als eine Formel, die vereinfacht wie folgt lautet:


   v = (Δλ · c) / λ    

Bei dieser Formel steht v für die relative Geschwindigkeit eines Objekts in Richtung des Betrachters, Delta lambda (bzw. Δλ) ist der Unterschied der Wellenlänge beim gemessenen Objekt, c eine Konstante, je nach Wellenart eben die Schallgeschwindigkeit oder die Lichtgeschwindigkeit und lambda (bzw. λ) die eigentliche Wellenlänge des Objekts. Was die Formel aussagt ist: Man kann die Radialgeschwindigkeit eines Objekts messen, indem man den Unterschied der Frequenz der ankommenden Wellen zur Frequenz der ausgesendeten Wellen in Relation setzt. Diese Geschwindigkeit ergibt sich als positiver Wert, wenn das Objekt sich entfernt und als negativer Wert, wenn es sich nähert.

Algol-Animation
Der Effekt der Frequenzänderung und der dadurch bestimmbaren Geschwindigkeit wurde wenige Jahre nach der Niederschrift in den Niederlanden bei Experimenten mit Eisenbahnzügen bestätigt. Dies war eine der ersten Verkehrsgeschwindigkeitskontrollen der Welt überhaupt - vor Erfindung von Auto, Autobahn, Tempolimit, verkehrsberuhigten Zonen etc. pp.

Doppler kehrte mit zwei Jahren Zwischenaufenthalt in Chemnitz nach Wien im Jahr 1849 zurück und wurde dort Lehrer für Physik an der Technischen Hochschule Wiens als Nachfolger seines ehemaligen Mentors. Auf seine Initiative hin wurde an der Wiener Universität ein physikalisches Institut gegründet, dessen Institutsdirektor er neben seiner Eigenschaft als neuer Physikprofessor ab 1851 wurde. Doch seine in Prag aufgetretene Krankheit begann bald stärker denn je auszubrechen. Er fuhr nach Venedig, weil die Gerüchte besagten, daß die dortigen Ärzte Tuberkulose heilen könnten, doch am 17. März 1853 erlag Doppler seinem Lungenleiden in Venedig mit nicht einmal 50 Jahren.

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Algol-Spektrum-Animation
Die sichtbaren Farben der Sterne werden wie heute bekannt hauptsächlich durch ihre Oberflächentemperatur beeinflußt: je bläulicher ein Stern, desto heißer ist er an der Oberfläche. Die Änderung der Farbe durch die Sternbewegung kann optisch nur im Extremfall wahrgenommen werden. Trotzdem ändert sich tatsächlich das Licht der Sterne...

1859 entdeckten die Chemiker Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) und Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) die Spektralanalyse, indem sie Stoffe in Flammen verdampften, das dadurch entstehende Licht mit Prismen auffächerten und die in dem Spektrum sichtbaren Linien ausmaßen und mit den verdampften Elementen in Verbindung brachten. Mit der Spektralanalyse zusammen zeigt sich der Doppler-Effekt auch bei den Sternen, denn die typischen Linien eines Sterns erscheinen bei den Sternspektren im Allgemeinen nicht dort, wo man sie nach irdischen Experimenten erwarten würde, sondern um einen bestimmten Faktor zum Roten oder Blauen hin verschoben. Diese Verschiebung interpretiert als Doppler-Effekt bestimmt, in welcher Weise und mit welcher Radialgeschwindigkeit sich eine Sonne in Bezug zur Erde bewegt.

In der nebenstehenden bzw. obigen Animation eines Spektrums ist in Bezug auf Algol (übertrieben, idealisiert und der Einfachheit und Anschaulichkeit halber als Absorptionsspektrum) dargestellt, wie sich eine Auswahl an Spektrallinien der beiden Sterne verhält: Während der Liniensatz des scheinbar stillstehenden, massereicheren Sterns auch im Spektrum fast stillsteht, verschiebt sich der Liniensatz des bewegten Sterns ins Blaue hinein, wenn der Stern rechts vom Zentralstern ist und sich auf den Betrachter zubewegt, und die Linien wandern ins Rote hinein, wenn der Stern links vom Zentralstern sich von uns wegbewegt. Durch weitere, minimale periodische Verschiebungen des Spektrums von Algol konnte festgestellt werden, daß das System nicht nur aus zwei, sondern mindestens aus drei Sonnen besteht, von denen die dritte die beiden inneren in einem Abstand von etwa zwei Astronomischen Einheiten umkreist, während die beiden inneren Sonnen nur einen Abstand von etwa 10 Millionen Kilometer (0,07 Astronomische Einheiten) besitzen. Eine der ersten spektroskopischen Analysen vom bedeckungsveränderlichen Stern (siehe dazu John Goodricke) Algol wurde von Carl Hermann Vogel (1841-1907) 1888/9 an der Potsdamer Sternwarte gemacht.

Saturn-Ringspektren
Mit der Spektralanalyse von Einzelsternen in Galaxien konnte nachgewiesen werden, daß es sich bei ihnen um gewaltige, sich drehende Scheiben handelt. - Die langzeitliche Spektralanalyse von Einzelsternen zur Findung von schwachen, langperiodischen Veränderungen ist denn auch eine der möglichen Methoden, um ggf. nicht nur jupiterähnliche Planeten in engen Umlaufbahnen um ferne Sonnen zu finden, sondern auch eher masseärmere, erdähnliche Planeten im tropischen Gürtel einer Sonne. - Mit der systematischen Messung von kompletten Spektren der Galaxien und der Feststellung, daß diese überwiegend eine Rotverschiebung besitzen, entwickelte Edwin Powell Hubble (1889-1953) die Theorie vom expandierenden Universum. Tatsächlich konnte festgestellt werden, daß Galaxien sich generell um so schneller von uns fortbewegen, je weiter sie entfernt sind. Und mit der Rot/Blau-Verschiebung der kosmischen Hintergrundstrahlung konnte erstmals nachgewiesen werden, daß sich unsere Milchstraße in die Richtung des Sternbilds Jungfrau bewegt.

Aber auch nicht selbst strahlende Objekte können mittels des Doppler-Effekts in ihrer Radialgeschwindigkeit analysiert werden, sofern sie zumindest irgendeine Strahlung reflektieren. Bei der Reflexion werden Anteile der Strahlung absorbiert, und auch diese Anteile lassen sich als Spektrallinien sichbar machen - also auch deren Verschiebung. So konnte der Doppler-Effekt auch bei den Ringen des Saturns festgestellt und erstmals bewiesen werden, daß die Folgerung von Christian Huygens (1629-1695) aus den Keplerschen Gesetzen, daß die Ringe des Saturns in unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren und deshalb kein einheitliches, festes Objekt sind. - Genauso kann mit dem Doppler-Effekt die Rotation von Planetoiden und vieles andere mehr bestimmt werden.

Im Haus der Natur, Salzburg ist (oder war 1999 zumindest) eine Sonderausstellung zu Christian Andreas Doppler und seinem Werk (, die jedoch nicht online vermerkt ist). Die Austellung zeigt unter anderem weitere Anwendungsgebiete, die der Doppler-Effekt auch auf der Erde bietet.

Quellen:
Prof. Dr. K. H. Schwarz, "Physik- und Radiopioniere", Verlag Wetzikon 1971
Prof. Mag. DDr. h.c. Eberhardt Stüber et al., "Haus der Natur", Haus der Natur 1999
Joachim Herrmann (Hrsg.), "Das Große Lexikon der Astronomie", Orbis Verlag 1996


Seitenhistorie:
erstellt 2002-11-26 als himmel.03.11.html
geändert 2003-08-05 zu Doppler.html

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