Lichtgolven van een bewegende bron ervaren het Doppler-effect om te resulteren in een rode of blauwe verschuiving in de lichtfrequentie. Dit is vergelijkbaar met (maar niet identiek) aan andere soorten golven, zoals geluidsgolven. Het grote verschil is dat lichtgolven geen medium nodig hebben om te reizen, dus de klassieke toepassing van het Doppler-effect is niet precies van toepassing op deze situatie.
Relativistisch Doppler-effect voor licht
Beschouw twee objecten: de lichtbron en de "luisteraar" (of waarnemer). Aangezien lichtgolven die in lege ruimte reizen geen medium hebben, analyseren we het Doppler-effect op licht in termen van de beweging van de bron ten opzichte van de luisteraar.
We hebben ons coördinatensysteem zo opgezet dat de positieve richting van de luisteraar naar de bron is. Dus als de bron zich van de luisteraar verwijdert, is dat de snelheid v is positief, maar als het naar de luisteraar toe beweegt, dan is de v is negatief. De luisteraar is in dit geval altijd beschouwd als in rust (dus
v is echt het totaal relatieve snelheid tussen hen). De snelheid van het licht c wordt altijd als positief beschouwd.De luisteraar krijgt een frequentie fL die anders zou zijn dan de frequentie die door de bron wordt uitgezonden fS. Dit wordt berekend met relativistische mechanica, door de lengtecontractie noodzakelijk toe te passen, en verkrijgt de relatie:
fL = sqrt [( c - v)/( c + v)] * fS
Red Shift & Blue Shift
Een bewegende lichtbron weg van de luisteraar (v is positief) zou een fL dat is minder dan fS. In de zichtbaar lichtspectrum, dit veroorzaakt een verschuiving naar het rode uiteinde van het lichtspectrum, dus heet het a roodverschuiving. Als de lichtbron beweegt richting de luisteraar (v is negatief), dan fL is groter dan fS. In het zichtbare lichtspectrum veroorzaakt dit een verschuiving naar het hoogfrequente uiteinde van het lichtspectrum. Om de een of andere reden kreeg violet het korte uiteinde van de stick en wordt zo'n frequentieverschuiving eigenlijk a genoemd blauwe verschuiving. Het is duidelijk dat deze verschuivingen in het gebied van het elektromagnetische spectrum buiten het zichtbare lichtspectrum eigenlijk niet in de richting van rood en blauw zijn. Als je bijvoorbeeld in het infrarood zit, ben je ironisch aan het verschuiven weg rood als je een "roodverschuiving" ervaart.
Toepassingen
De politie gebruikt deze eigenschap in de radarboxen waarmee ze de snelheid volgen. Radio golven worden uitgezonden, botsen met een voertuig en stuiteren terug. De snelheid van het voertuig (dat fungeert als de bron van de gereflecteerde golf) bepaalt de frequentieverandering, die kan worden gedetecteerd met de box. (Vergelijkbare toepassingen kunnen worden gebruikt om windsnelheden in de atmosfeer te meten, wat de "Doppler-radar"waar meteorologen zo dol op zijn.)
Deze Doppler-shift wordt ook gebruikt om satellieten te volgen. Door te observeren hoe de frequentie verandert, kunt u de snelheid ten opzichte van uw locatie bepalen, waardoor tracking op de grond de beweging van objecten in de ruimte kan analyseren.
In de astronomie zijn deze verschuivingen nuttig. Wanneer je een systeem met twee sterren observeert, kun je zien wat er naar je toe beweegt en welke weg door te analyseren hoe de frequenties veranderen.
Nog belangrijker is dat uit de analyse van licht van verre sterrenstelsels blijkt dat het licht een roodverschuiving ervaart. Deze sterrenstelsels bewegen zich weg van de aarde. In feite zijn de resultaten hiervan iets meer dan alleen het Doppler-effect. Dit is eigenlijk zo een resultaat van ruimtetijd zichzelf uitbreiden, zoals voorspeld door algemene relativiteit. Extrapolaties van dit bewijs, samen met andere bevindingen, ondersteunen de "oerknal"foto van de oorsprong van het universum.