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Freistetters Formelwelt

Christian Dopplers Weltformel

Christian Doppler hat die Welt verändert. Seine vor 175 Jahren entwickelte Formel finden wir heute überall in unserem Alltag. Ruhm hat sie ihm dennoch nicht gebracht.
Notarzt in der Stadt

Kürzlich hielt ich einen Vortrag in Salzburg, während die Touristensaison schon auf vollen Touren lief. Die Innenstadt war mit Besuchern aus der ganzen Welt überfüllt, und alle hatten nur ein Ziel: Wolfgang Amadeus Mozart. Den Komponisten findet man überall; alle Schaufenster zeigen Abbilder des musikalischen Wunderkindes; vor Mozarts Geburtshaus und den Mozartstatuten bilden sich fotografierende Menschentrauben – und seine Musik kann man überall in der Stadt hören. Man könnte fast auf die Idee kommen, Salzburg hätte sonst keine bedeutsamen Personen hervor gebracht. Aber wenn man den Trubel der Getreidegasse verlässt, findet man am Makartplatz auf der anderen Seite der Salzach an einem Haus eine eher unscheinbare Tafel. Sie verkündet, dass hier der Physiker Christian Doppler geboren wurde.

Am 25. Mai 1842 veröffentlichte er sein Werk "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels", in dem er erklärte, warum die Sterne unterschiedliche Farben haben. Sterne würden rot leuchten, wenn sie sich von uns entfernen, und blau, wenn sie sich auf uns zu bewegen. Grund dafür sei die Stauchung beziehungsweise Dehnung von Lichtwellen, die von einer bewegten Quelle ausgesandt werden. Dadurch verändere sich ihre Frequenz – in diesem Fall ihre Farbe.

In moderner mathematischer Formulierung lautet der Effekt:

Doppler-Effekt
Doppler-Effekt

In dieser Formel ist c die Lichtgeschwindigkeit, v die Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger (zum Beispiel einem Stern und einem Teleskop auf der Erde), λ0 ist die ursprüngliche Wellenlänge und λ die Wellenlänge, die letztlich beobachtet wird.

Doppler hatte korrekt beschrieben, was mit Signalen aus bewegten Quellen passiert. Er irrte allerdings, was die Sternfarben angeht. Sterne bewegen sich zu langsam, um den Effekt hervorzurufen, den Doppler erklären wollte. Heute wissen wir, dass die Farben der Sterne durch ihre unterschiedlichen Temperaturen hervorgerufen werden. Wir wissen allerdings auch, wie enorm wertvoll Dopplers Formel geworden ist.

Der Quantenphysiker Anton Zeilinger nannte Dopplers Erkenntnis einmal den "Jahrtausend-Effekt". Zu Recht: Der erste Planet außerhalb des Sonnensystems konnte im Jahr 1995 entdeckt werden, weil die Astronomen im Licht eines Sterns durch den Doppler-Effekt hervorgerufene, periodische Farbänderungen beobachtet hatten. Der im Teleskop nicht sichtbare Planet bringt mit seiner Gravitationskraft den Stern ein wenig zum Wackeln, wodurch er sich in regelmäßigen Abständen auf die Erde zu und von ihr weg bewegt. Mit dieser Methode entdeckten Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten Hunderte extrasolarer Planeten, sie erforschen damit aber auch die Bewegung von Doppelsternen oder untersuchen die Rotation von Galaxien.

Beim "Doppler-Radar" schickt man Radiowellen in Richtung eines sich bewegenden Objekts und berechnet aus der Frequenzänderung des dort reflektierten Signals dessen Geschwindigkeit. Mit dieser Technik können etwa Meteorologen die Bewegung von Tornados verfolgen. Man kann damit jedoch genauso gut Flugzeuge überwachen oder das Tempo von Autos im Straßenverkehr kontrollieren. Die Laser-Doppler-Anemometrie ist ein optisches Messverfahren, bei dem berührungslos die Geschwindigkeit in strömenden Gasen oder Flüssigkeiten gemessen werden kann. Der Doppler-Effekt muss bei der Kommunikation mit Satelliten berücksichtigt werden, er hilft den Astronomen dabei, die Temperatur im Inneren von Sternen zu messen oder die Form von Asteroiden zu bestimmen. Und er funktioniert nicht nur mit elektromagnetischen Wellen, sondern ebenso bei akustischen Signalen, etwa bei den Ultraschalluntersuchungen in der Medizin.

Christian Dopplers Formel hat unsere Zivilisation heute also komplett durchdrungen. Seine Arbeit war für die Menschheit mindestens so wichtig wie Mozarts Musik – und hätte daher ruhig ein klein wenig mehr Anerkennung verdient.

19/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19/2017

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