빛과 소리의 도플러 효과(Doppler Effect)
사이렌을 요란하게 울리며 달려오던 소방차가 자기 옆을 스쳐지나가고 나면, 다가오는 동안 크게 들리던 소리가 갑자기 작게 들린다.
오스트리아의 수학자이며 물리학자인 크리스티안 도플러(Christian Doppler 1803-1853)는 음파나 빛이 관찰자 쪽으로 접근해오거나 멀어지면(또는 관찰자가 음원이나 광원 쪽으로 접근하거나 멀어지면), 음파나 빛의 진동수와 파장이 변하여 전달된다는 사실을 1842년에 발표했다. 이런 현상을 발견자의 이름을 따서 ‘도플러 효과’(Doppler Effect)라 부른다.
“관찰자로부터 멀어지거나 접근하는 소리 또는 빛은 관찰자에 대해 주파수가 변한다.”
음원(音源)을 향해 관찰자가 접근하면, 음파는 고막에 더 빨리 접근하게 되므로 진동수가 많아지는 효과가 나타나 소리가 고음으로 들린다. 반대로 소리가 멀어져 가면 음파는 늦게 고막에 접근하므로 진동수가 줄어드는 현상이 나타나 저음으로 들리는 것이다(그림 참조).
접근해오는 소리(또는 빛)는 진동수가 증가하는 현상이 나타나 고음으로 들리고, 멀어져가는 파는 진동수가 감소하여 낮은 소리로 들리게 된다.
1845년에 네덜란드의 기상학자인 크리스토프 보이스 발로트(C. B. Ballot 1817-1890, 코리올리 효과 참조)는 음파의 도플러 효과를 측정하는 실험을 했다. 그는 지붕이 없는 기차에 탄 트럼펫 연주단을 음원으로 사용했다. 이 실험으로 도플러 효과는 증명이 되었다. 천문학과 수학을 공부한 도플러는 이중성에서 오는 빛의 색이 달라지는 원인을 연구하던 중에 도플러 효과에 대한 힌트를 얻게 되었다. 도플러 효과의 정도는 음원(또는 광원)의 이동 속도와 관찰자의 이동 속도에 따라 달라진다.
도플러는 이러한 효과가 소리만 아니라 빛에서도 일어날 것이라고 예측했다. 당시에는 이를 증명할 실험이 불가능했다. 그러나 오래지 않아 1849년에 피조(Armand Hippolyte Louis Fizeau. 빛의 속도를 측정한 피조 참조)가 별로부터 오는 빛을 관측하는 방법으로 이를 증명하게 되었다.