EL ASOMBROSO EFECTO DOPPLER

Si has asistido a una carrera de fórmula 1 podrás percibir un fenómeno curioso: cuando se acercan los bólidos, observarás un cambio de tono en el sonido según el vehículo se aproxima y luego se aleja en relación a tu posición; esta variación en el tono se debe al llamado efecto Doppler.

Este fenómeno fue explicado por vez primera por el físico austriaco Christian Doppler en 1842. En 1845, el también físico holandés Buys Ballot, probó la hipótesis de Doppler de una manera espectacular: un par de trompetistas se encontraba en una estación de tren, mientras que otros dos estaban localizados en un carruaje abierto del tren. Los dos grupos de trompetistas tocaron la misma nota. Cuando el tren pasó por la estación, la frecuencia de las dos notas no coincidió, aunque los músicos tocaban la misma.

Más adelante, un científico llamado Fizeau, prosiguió los estudios de Doppler y aplicó su teoría no solo a los sonidos, sino también a la luz.

El efecto Doppler, que explica este cambio aparente en la frecuencia de una onda emitida por una fuente en movimiento, se produce en cualquier tipo de propagación ondulatoria de energía como lo son las ondas sonoras u ondas electromagnéticas.

De manera intuitiva, podemos explicar el efecto Doppler de la siguiente forma: las ondas se mueven del mismo modo en todas las direcciones del espacio; el número de ondas emitidas por cada segundo transcurrido determina la frecuencia de la onda, de modo que las ondas de alta frecuencia viajan muy cerca unas de otras, mientras que las de baja frecuencia están muy alejadas entre sí.

La frecuencia de las ondas sonoras determina el tono del sonido. Las ondas de las notas de tono bajo viajan muy separadas unas de otras, mientras que las que se producen en tonos altos viajan muy juntas. Las ondas que proceden de delante tenderán a juntarse unas con otras, mientras que las que proceden de detrás tenderán a alejarse. Por tanto, si te encuentras por delante de un vehículo que avanza hacia ti, escucharás un sonido de un tono más alto que si te encuentras detrás de un coche que se está alejando. Este cambio de frecuencia es en realidad el efecto Doppler.

El efecto Doppler en las ondas luminosas también produce un cambio en la frecuencia cuando proceden de una fuente en movimiento, lo que se traduce en un cambio de color en la luz procedente de las estrellas. Los astrónomos que estudian estrellas y galaxias situadas a enorme distancias entre sí pueden detectar estos cambios de color.

De esta manera las estrellas que se alejan de nosotros muestran un desplazamiento al rojo (frecuencias más bajas), dado que sus ondas se están alejando unas de otras. Por su parte, una estrella que avance hacia nosotros muestra un desplazamiento hacia el azul (frecuencias más altas). La medida de estos cambios permite estudiar con precisión el movimiento relativo de los astros.

Llegado a este punto nos podemos preguntar ¿qué relación hay entre la observación del universo y el sonido de un coche de fórmula 1 cuando pasa a toda velocidad? La respuesta está en el efecto Doppler. En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Powell Hubble observó un desplazamiento hacia el rojo en los espectros de la luz recibida de las galaxias lejanas. Elespectro de emisión electromagnéticoes un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos en estado gaseoso cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único, es como la huella dactilar de cada elemento de la tabla periódica.

Este sorprendente desplazamiento hacia el rojo (frecuencias más bajas), debía estar provocado por el efecto Doppler y nos dice que las galaxias debían de estar alejándose entre sí y, por tanto, “el universo se estaba expandiendo.” Además, Hubble observó que la velocidad de alejamiento de las galaxias era mayor cuanto más lejos se encontraban las unas de las otras, esto es la conocida "ley de Hubble", que establece que la velocidad de alejamiento de una galaxia es proporcional a la distancia a la que se encuentre de nosotros. Sorprendente descubrimiento, ¿no es cierto?.

¿Y el modelo del Big Bang, estará relacionado con el efecto Doppler? La respuesta es sí.

El camino para llegar a este resultado ha sido largo, contribuyendo a la construcción de esta teoría muchos científicos y habiendo sido necesario avances tecnológicos considerables.

Los físicos Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, demuestran, utilizando la teoría de la relatividad, que el universo estaba en movimiento constante. Y como ya hemos visto antes, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se alejaban de nosotros; como consecuencia, ya sabemos que el universo se expande.

En 1948, el físico ucraniano nacionalizado estadounidense George Gamow planteó la siguiente hipótesis: si damos marcha atrás en el tiempo, podríamos deducir que en un tiempo anterior las galaxias debieron estar más juntas. Retrocediendo lo suficiente llegaríamos a un punto donde toda la materia estaría muy junta concentrada en un punto (los físicos lo llamamos singularidad, lo cierto es que no entendemos bien lo que pasó en ese instante, por eso la llamamos así) y, de esta forma, el universo se creó a partir de una gran explosión, el Big Bang. Recientemente, el hallazgo de la radiación de fondo, vestigios de esta gran explosión primigenia, confirmó dicha teoría.

En nuestra vida cotidiana, las aplicaciones del efecto Doppler son muy amplias, abarcando campos diversos. Por ejemplo, existen radares de efecto Doppler para medir velocidad de aeronaves, detección velocidades de vehículos para control del tráfico rodado. En medicina, tenemos ecografías 3D con las que podemos ver el movimiento de fluidos dentro del cuerpo, así como la ecografía Doppler o Eco-Doppler, una variedad de la ecografía tradicional, basada en el empleo de ultrasonidos, en la que aprovechando el efecto Doppler es posible visualizar la velocidad del flujo que atraviesa ciertas estructuras del cuerpo, por lo general vasos sanguíneos, permitiendo determinar si el flujo se dirige hacia la sonda o si se aleja de ella, así como la velocidad de dicho flujo; también permite la visualización del flujo de sangre del corazón; el eco-Doppler, que también se usa para la determinación del riesgo de pre-clampsia en mujeres embarazadas; y determinar el flujo sanguíneo en las arterias y venas grandes en brazos y piernas. En meteorología, los radares meteorológicos de alta resolución Doppler detectan precipitaciones y movimientos atmosféricos, detección de huracanes, lluvias torrenciales etc., y también permiten la detección de turbulencias atmosféricas para mejorar la seguridad del tráfico aéreo. Y, por supuesto, en astronomía, la espectroscopia Doppler, (medición de la velocidad radial) es un método espectroscópico para encontrar planetas extrasolares; involucra la observación de desplazamientos Doppler en el espectro de la estrella alrededor de la cual la estrella orbita; así como la medición de la velocidad de asteroides, estrellas, galaxias, etc.

Espero haber contribuido con este post a estimular vuestra curiosidad sobre cómo los descubrimientos científicos cambian nuestras vidas, y confío que podáis valorar todo el esfuerzo realizado por hombres geniales que han hecho avanzar a la humanidad. Como alguien dijo alguna vez: “Caminamos a hombros de gigantes.”