Waarnemen met Doppler

Bron: #Dwars door de buurt – editie 226

Geleerden en straatnamen in de Watergraafsmeer – deel 25

Een zwangere vrouw hoort voor het eerst de hartslag van haar ‘blijde verwachting’ met de ‘Doppler’. Dit moment staat meteen gegrift in haar geheugen. Waarnemen met Doppler blijft heel bijzonder, maar blijkt ook steeds gewoner! Voor enkele tientallen euro’s zijn nu zelfs Doppler-foetale-monitoren te koop om thuis de hartslag van het ongeboren kind te laten horen.

Voor een wetenschapper van tweehonderd jaar geleden heeft Christian Doppler een grote naamsbekendheid en dat niet alleen door de ‘foetale-hart-monitor’. Steeds nieuwe toepassingen van het ‘Doppler-effect’ in medische en technische apparatuur dragen zijn naam: Doppler-vaatonderzoek ter beoordeling van doorbloeding van ledematen, Doppler-echocardiografie voor analyse van de functie en de anatomie van het hart, transcraniële-kleuren-Doppler voor beoordeling van de bloedstromen bij de hersenen. Doppler-radar is vooral gevreesd vanwege de snelheidsmeting door de politie en Doppler-robotica wordt steeds meer toegepast in zelfsturende robots voor het vermijden van botsingen. Deze naamsbekendheid contrasteert met die van de Dopplerstraat in de Wetbuurt, Amsteldorp; dat is slechts een zestig meter lang wandelpad zonder huisnummers om van de Celsiusstraat naar de Von Liebigweg te lopen.

Loeiende sirene
Christian Doppler (1803-1853) was een Oostenrijkse sterren-, natuur- en wiskundige, die carrière maakte als hoogleraar, onder meer in Praag en Wenen. Hij beschreef als eerste het inzicht dat de combinatie van een trillingsbron en een verandering in de afstand tot die bron voor de waarnemer leidt tot een frequentieverandering in de trilling. Dit is nu alom bekend als het Doppler-effect, dat dagelijks in de stad te horen is als noodhulpdiensten met loeiende sirene passeren en de toonhoogte op dat moment zakt. Het Doppler-effect / de frequentieverandering is het signaal dat de verloskundige met haar ‘Doppler-foetale-monitor’ de zwangere laat horen als een suggestief pulserend geluid. Alle aanwezigen vergeten de techniek en horen – met dank aan Doppler – ontroerd het kloppen van het hart van het nieuwe leven.

Het ritmisch samentrekken van het foetale hartspiertje-in-aanleg beïnvloedt de echo van de ultrasone – voor de mens niet hoorbare – gerichte geluidstrilling die het apparaatje afgeeft en ook weer opvangt. De frequentieverandering bij ontvangst van de echo wordt hoorbaar gemaakt met een geluidssignaal.

Rood licht, blauw licht
In Dopplers tijd werd het onderzoek in de sterrenkunde mede bepaald doordat de astronomen, die eeuwenlang sterren met het blote oog hadden geïdentificeerd, ze konden gaan bestuderen met steeds betere telescopen. Opeens bleken die sterren  dubbelsterren of zelfs nog meervoudiger stersystemen te zijn die tollen rond een gemeenschappelijk zwaartepunt. Doppler was opmerkzaam en raakte gefascineerd door het kleurverschil binnen zo’n dubbelsterpaar. De gangbare gedachte was destijds dat alle sterren en ook de zon wit licht uitstralen. Wat zat achter het waargenomen kleurverschil? Dopplers inzicht dat een verandering in de afstand tot een trillingsbron een frequentieverandering geeft, bracht hem tot zijn hypothese over het kleurverschil. Het om elkaar tollen doet de ene ster van de waarnemer af en de ander naar de waarnemer toe bewegen. De eerste ster zou daardoor als roder en de ander als blauwer worden waargenomen. Zijn beroemde publicatie met deze hypothese had als Duitse titel:’ Uber das farbige Licht der Doppelsterne und einige anderer Gestirne des Himmels’.

Dopplers hypothese
Bij om het gemeenschappelijke zwaartepunt tollende dubbelsterren wordt de afstand van de waarnemer tot de rode ster groter omdat de golffrequentie lager wordt en de golflengte toeneemt, terwijl de afstand tot de blauwe ster korter wordt omdat de golffrequentie hoger wordt en de golflengte korter.

Golftheorie
Deze hypothese testen lag buiten Dopplers mogelijkheden. Wel presenteerde hij een duidelijke wiskundige formule voor het fenomeen. Ook gaf hij een aansprekend voorbeeld hoe hij tot zijn hypothese gekomen was. Immers iedereen weet: ‘een schip dat tegen golfslag in vaart ontmoet de golven in een hogere frequentie dan een schip dat met gelijke snelheid met deze golven meevaart’. N.B. In Doppler’s tijd neigden wetenschappers naar de golftheorie van Christiaan Huygens in het van Huygens en Isaac Newton stammende golf / deeltjes dilemma voor de ware aard van licht; nu is het tweeledige karakter onomstreden. N.B. Huygens en Newton zijn beiden vernoemd in Middenmeer en werden in deze rubriek al herhaaldelijk genoemd.

Uitdijing heelal
Het Dopplerstraatje loopt parallel aan de Fizeaustraat. De grote Franse natuurkundige Hippolyte Fizeau (1819-1896) wordt met die vernoeming geëerd. Fizeau verrichtte allerlei baanbrekende metingen aan licht en was de eerste die de lichtsnelheid experimenteel wist te bepalen. Fizeau toonde aan dat Dopplers inzicht en wiskundige beschrijving geen verklaring kon zijn voor het gevonden kleurverschil binnen een dubbelsterpaar. De enorme snelheid van licht (300.000 km /sec) – ingevoerd in Dopplers correcte formule – verklaart slechts veel kleinere kleurverschillen. Nu is bekend dat de kleurverschillen van sterren uitdrukking zijn van temperatuurverschillen aan het steroppervlak; rood wijst op minder heet dan blauw, net als bij een vlam.Ondanks het vervallen van Dopplers hypothese heeft zijn inzicht grote betekenis gekregen in de sterrenkunde. De kleurverschuiving in sterrenlicht die het Doppler-effect bewerkt, is te klein voor de waarneming door het oog; maar de spectroscoop, specialistische apparatuur met een prisma, toont onmiskenbaar kleine kleurverschillen die aan het Doppler-effect toegeschreven kunnen worden. In de moderne astronomie speelt de Doppler-spectroscopie van lichtbronnen in verre sterrenstelsel een rol bij de analyse van bewegingen in die stelsels. De uitdijing van het heelal en de roodverschuiving die daarvan een gevolg is, zijn een afwijkende vorm van het Doppler-effect.

Hoorngeschal
Ondanks het vervallen van Dopplers hypothese is het naar hem genoemde effect toch een groots inzicht gebleken. De beroemde Nederlandse natuurwetenschapper en wiskundige Christophorus Buys-Ballot (1817-1890), hoogleraar met steeds verschillende natuurwetenschappelijke leeropdrachten aan de universiteit Utrecht, gebruikte in 1845 de pas gerealiseerde Rhijnspoorweg tussen Utrecht en Maarsen als proefopstelling voor het onderzoeken van het Doppler-effect en Dopplers wiskundige formule. De juistheid van beide bleek overtuigend ‘bij herhaalde waarnemingen langs de spoorlijn van het door hoornblazers-op-de-trein geproduceerde geluid bij verschillende snelheden’. Het hoorngeschal klonk berekenbaar hoger respectievelijk lager afhankelijk van de snelheid bij naderen en bij in de verte verdwijnen. De huidige zegetocht van het Doppler-effect in medische, technische en astronomische toepassingen kreeg zo 175 jaar geleden een gedegen wetenschappelijke en experimentele grondslag.

Doppler-laser-koeling
In de Watergraafsmeer, Middenmeer-Zuid verbindt de korte Buys-Ballotstraat het Mariotteplein met het Galileïplantsoen. Buys-Ballot kwam in deze rubriek al eerder aan de orde vanwege de meteorologische wet die hij beschreef en die zijn naam draagt. (Terzijde: De draairichting van de wind in hoge en lage drukgebieden respectievelijk op het noordelijk en zuidelijk halfrond wordt in die wet gegeven; op het noordelijk halfrond dus bij lage druk tegen de klok in en bij hoge druk met de klok mee.)

In 1975 werd weer een nieuwe exotische toepassing van het Doppler-effect beschreven: Doppler-koeling. Deze koeltechniek dichtbij het absolute nulpunt werd kort daarna in 1978 gerealiseerd. In 1997 werd een briljante toepassing van Doppler-laser-koeling bekroond met de Nobelprijs.

Tot slot is het verleidelijk nogmaals stil te staan bij Dopplers naamsbekendheid. De dubbele ‘p’ heeft wellicht iets van een trilling. Een grappige veronderstelling komt op: ‘Als je eenmaal bekend bent met het Doppler-effect onthoud je de naam van de ontdekker door een simpele associatie tussen dubbel ‘p’ en effect’. Eeuwige roem lijkt zo voor Doppler gegarandeerd. #

Robert van Andel