Της Γεωργίας Αλέξη
Ο ενοχλητικός ήχος της σειρήνας ενός ασθενοφόρου που μας πλησιάζει, το κόκκινο χρώμα (ερυθρομετατόπιση) που εκπέμπει ένα αστέρι καθώς απομακρύνεται από εμάς και το μπλε όταν μας πλησιάζει, η μέτρηση της ταχύτητας με το σύστημα ηλεκτρομαγνητικού εντοπισμού-ραντάρ, είναι μερικά παραδείγματα από την καθημερινότητά μας, που εξηγούνται από το λεγόμενο φαινόμενο Doppler, το οποίο ονομάστηκε έτσι προς τιμήν του Αυστριακού φυσικού Christian Doppler, που το μελέτησε στα μέσα του 19ου αιώνα.
Ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι οι ακτίνες γ (ραδιενέργεια), οι ακτίνες Χ, η υπεριώδης ακτινοβολία, το ορατό φως, το υπέρυθρο, τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα - όλα συνιστούν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Τα ηλεκτρομαγνητικά -αόρατα- κύματα μοιάζουν με ένα οχτώ, κομμένο στη μέση από πάνω έως κάτω, το οποίο έχει ξαπλώσει. Ή, αλλιώς, με ένα βουνό και μια κοιλάδα ίδιου ύψους, ενωμένα. Αυτό το σχήμα το λέμε μήκος κύματος κι όσο πιο ψηλό είναι, τόσο πιο μεγάλο μήκος κύματος αντιπροσωπεύει, έχει δηλαδή μικρή συχνότητα και χαμηλή ενέργεια. Η περιοχή με το μεγαλύτερο μήκος κύματος είναι τα ραδιοκύματα, ενώ οι ακτίνες γ έχουν τη μεγαλύτερη συχνότητα και ενέργεια, άρα πολύ μικρό μήκος κύματος.
Κύμα είναι, επίσης, όλο το φάσμα του ήχου, από τους υπόηχους ώς τους υπέρηχους. Οι ήχοι δεν έχουν το ίδιο σχήμα με τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Μπορούμε να τα φανταστούμε σαν ένα ελατήριο που συσπειρώνεται και επιμηκύνεται. Η κίνηση αυτή προκαλεί την οριζόντια ταλάντωση των μορίων του αέρα, δημιουργώντας τον ήχο.
Όταν μια πηγή ηχητικών ή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων πλησιάζει ή απομακρύνεται από τον παρατηρητή, τότε τα κύματα που εκπέμπει συμπιέζονται ή τεντώνονται, αντίστοιχα, προκαλώντας μεταβολή στη συχνότητα και το μήκος κύματός τους. Στην περίπτωση μιας -κινούμενης προς τα εμάς- ηχητικής πηγής, όπως είναι το ασθενοφόρο του παραδείγματος, η συχνότητα συνεχώς αυξάνει και ο ήχος που εκπέμπει γίνεται οξύτερος μέχρις ότου μας προσπεράσει - ο ήχος της σειρήνας τότε αρχίζει να «σβήνει».
Όσον αφορά τις ηλεκτρομαγνητικές πηγές, όπως είναι ένα αστέρι που εκπέμπει -και στο- ορατό φως, η συμπίεση των κυμάτων προκαλεί επίσης αύξηση της συχνότητας. Απομονώνοντας την περιοχή του ορατού φωτός, έχουμε με σειρά φθίνουσας ενέργειας και συχνότητας τα χρώματα: ιώδες, μπλε, πράσινο, κίτρινο, πορτοκαλί και κόκκινο. Πριν από το ιώδες βρίσκεται το υπεριώδες και μετά το κόκκινο το υπέρυθρο. Επομένως, όταν μας προσεγγίζει μια φωτεινή πηγή, μας φαίνεται μπλε, αφού η συχνότητα έχει αυξηθεί. Με τη μεταβολή της συχνότητας και την παρατήρηση αστέρων στο οπτικό φάσμα, μπορούμε να καταλάβουμε αν ένα αστέρι πλησιάζει ή απομακρύνεται από εμάς, καθώς και την ταχύτητα με την οποία κινείται στις δύο περιπτώσεις.
Η μέτρηση ταχύτητας με το σύστημα του ραντάρ, π.χ. στα αυτόνομα οχήματα, λειτουργεί ως εξής: Έχουμε μια πηγή που στέλνει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, αυτά ανακλώνται στην κινούμενη πηγή, που στην προκειμένη περίπτωση είναι ένα άλλο όχημα, οπότε επιστρέφουν στον πομπό, που είναι και δέκτης. Εκεί γίνεται ηλεκτρονικά ανάλυση του σήματος και προσδιορίζεται η ταχύτητα με την οποία κινείται το άλλο «αντικείμενο», τροφοδοτώντας με τα δεδομένα τον υπολογιστή του οχήματος, για τα περαιτέρω.
Όλα αυτά τα παραδείγματα είναι εφαρμογές του φαινομένου Doppler. Και, βέβαια, η μεταβολή στη συχνότητα είναι φαινομενική. Τα εκπεμπόμενα κύματα διατηρούν το ίδιο μήκος κύματος και κάποιος που κινείται ισοταχώς με την πηγή δεν παρατηρεί καμιά διαφορά στη συχνότητα.
Το φαινόμενο Doppler στην Ιατρική
Το ίδιο φαινόμενο έχει εφαρμογή και στην Ιατρική, με χαρακτηριστικό παράδειγμα την αξιοποίησή του κατά την εγκυμοσύνη. Όπως όλοι γνωρίζουμε, το έμβρυο επιβιώνει και αναπτύσσεται «τρεφόμενο» από το αίμα της μητέρας του, το οποίο ρέει μέσω του πλακούντα. Αξιοποιώντας το φαινόμενο Doppler ελέγχεται αν αυτή η ροή αίματος είναι επαρκής, ενώ παράλληλα μετριέται η ανάπτυξη του εμβρύου και του αμνιακού υγρού. Μια ειδική συσκευή παράγει δέσμη υπερήχων οι οποίοι δεν διαδίδονται στα οστά, αλλά μόνο σε υγρά κι αφού το ανθρώπινο σώμα αποτελείται ως επί το πλείστον από υγρά, η απεικόνιση είναι εξαιρετικά καλή. Τα κύματα που επιστρέφουν στον δέκτη είναι ίδιας συχνότητας όταν ανακλαστούν σε τοιχώματα αγγείων ή οστά και διαφορετικής όταν ανακλαστούν σε ερυθρά αιμοσφαίρια. Ετσι προσδιορίζεται η ταχύτητα ροής του αίματος.
Επίσης, στην ηχοκαρδιογραφία μπορεί να προσδιορισθεί η παροχή αγγείων (μέτρηση από την οποία εξάγονται συμπεράσματα για τη λειτουργία της καρδιάς), η διαφορά πίεσης σε περιοχές που μπορεί να παρουσιάζουν στένωση και μπορεί, επίσης, να γίνει συνολική εκτίμηση της συστολικής και διαστολικής καρδιακής λειτουργίας.
* Κάθε ημέρα, οι συνεργάτες του μη κερδοσκοπικού οργανισμού επικοινωνίας επιστημονικών θεμάτων στο ευρύ κοινό SciCo παρουσιάζουν με απλά λόγια ένα θέμα που φέρνει την επιστήμη πιο κοντά μας.
** Το άρθρο δημοσιεύθηκε στην εφημερίδα «Φιλελεύθερος», αρ. φύλλου 42.
