소리와 빛의 도플러효과 비교
q1) 한 사람이 소리를 내는 물체로부터 멀어질 때 도플러 주파수가 생기는데, 이것은 소리를 내는 물체가 그 사람으로부터 멀어질 때에도 같은 도플러 주파수가 생기는가?
a) 그렇다. b) 아니다.
q2) 한 사람이 빛을 내는 광원(source of light)으로부터 멀어질 때 나오는 도플러 주파 수는 광원이 그 사람으로부터 멀어질 때 내는 도플러 주파수와 같은가?
a)그렇다. b) 아니다.
해 답 : 첫째 문제 b , 둘째 문제 a
한 사람이 소리를 내는 물체로부터 소리의 전파 속도와 같은 속도로 멀어지면 그 사람이 듣는 소리와 주파수는 0이다. 그래서 소리를 들을 수 없다. 그러나 소리를 내는 물체가 한 사람으로부터 소리의 속도로 멀어지면 그 사람이 듣는 소리의 주파수는 1/2로 줄어든다.
이것은 소리를 내는 물체가 움직이지 않을 때 소리가 퍼져 나가는 공간보다 2배로 커지기 때문이다. 이와 비슷하게 한 사람이 소리를 내는 물체 쪽으로 소리의 속도로 접근하면 주파수는 무한대로 된다. 이것은 모든 음파가 한 곳으로 집중되어 소리의 폭발음을 내기 때문이다.
소리원이든 듣는 사람이든 어느 것이 움직이느냐 하는 것은 음파의 경우 대단히 큰 차이가 있다. 음파의 경우 도플러 주파수를 측정하면 음원이 움직이는지 듣는 사람이 움직이는지 구분이 가능하다. 빛의 경우에 이것을 응용하면 지구가 별에 접근하는지 별이 지구에 접근하는지 구분할 수 있을 것으로 생각되지만, 상대성 이론의 근본은 상대적인 운동을 측정하는 것이지 절대적인 운동을 측정하는 것은 아니다. 이와 같이 별이 접근하고 있는 것인지 지구가 접근하고 있는 것인지 구분하는 것은 불가능하다.
따라서, 이와 같이 빛에 대한 도플러 효과는 음파에 대한 도플러 효과와는 다른데, 별이 접근하든 지구가 접근하든 도플러 주파수는 같이 나타난다.
그러면 왜 음파는 상대성 이론의 근본적 내용과 일치하지 않는가? 여기에 대한 해답은 음파가 진행하는 데는 제 3의 요소인 공기가 필수적으로 존재해야만 하기 때문이다. 상대적으로 운동하는 두 물체 사이에 공기와 같이 제 3의 요소가 존재하면 이것을 기준으로 어느 것이 움직이는 것인지 알 수가 있기 때문에 순수한 상대성 이론과는 일치하지 않는 것이다.
