El efecto Doppler

El efecto Doppler es el cambio de frecuencia que percibe quien recibe una onda cuando la fuente que la emite y él mismo se acercan o se alejan. Es la razón de que la sirena de una ambulancia suene más aguda mientras viene hacia nosotros y caiga de tono de golpe en cuanto nos rebasa, aunque el conductor oiga siempre la misma nota. Con él se multan coches, se ve circular la sangre, se encuentran planetas en otras estrellas y se descubrió que el universo se expande.

La idea se explica con una imagen sencilla. Una fuente que emite un sonido lanza crestas de presión a intervalos regulares. Si avanza hacia el oyente, cada cresta sale un poco más cerca que la anterior, de modo que llegan más apretadas y el oído percibe una frecuencia más alta; si se aleja, llegan más espaciadas y el tono baja. Para una fuente que se mueve a velocidad $v$ hacia un oyente quieto, con el sonido viajando a velocidad $c$, la frecuencia percibida es:

Con el sonido a unos 343 metros por segundo y un coche a 108 kilómetros por hora (30 metros por segundo), la bocina suena casi un diez por ciento más aguda al acercarse y algo menos de un diez por ciento más grave al alejarse. El salto entre una y otra ronda los tres semitonos.

El principio lleva el nombre de Christian Doppler, un matemático austriaco nacido en Salzburgo en 1803 que enseñaba en el Instituto Politécnico de Praga. En mayo de 1842 presentó ante la Real Sociedad Bohemia de Ciencias un ensayo titulado Sobre la luz coloreada de las estrellas dobles y algunos otros astros del cielo. Su razonamiento general era correcto: cualquier onda, sonora o luminosa, debía cambiar de frecuencia con el movimiento relativo. La aplicación que proponía, en cambio, no lo era. Doppler sostenía que muchas estrellas dobles tienen colores distintos porque una se acerca y la otra se aleja de nosotros. Las velocidades de las estrellas son minúsculas comparadas con la de la luz, y el desplazamiento resultante, apenas una fracción de un uno por mil, no basta para teñir nada; además, toda la luz se corre a la vez, de modo que lo que sale del espectro visible por un extremo lo repone la parte invisible que entra por el otro.

La primera prueba experimental llegó de los Países Bajos. En 1845 el meteorólogo holandés Christophorus Buys Ballot, que desconfiaba de la teoría, aprovechó la recién inaugurada línea de ferrocarril entre Utrecht y Maarssen. Subió a unos músicos a un vagón abierto arrastrado por una locomotora y les pidió que tocaran con sus instrumentos de metal una nota sostenida mientras el tren pasaba junto a otros músicos apostados en la vía, con buen oído, que anotaban la altura que percibían. La nota subía al acercarse el tren y bajaba al alejarse, y la diferencia coincidía razonablemente con lo que predecía Doppler. Buys Ballot lo publicó ese mismo año, sin dejar de criticar la parte de los colores estelares.

Para la luz, el paso decisivo lo dio el físico francés Hippolyte Fizeau, que en 1848 propuso, de forma independiente, buscar el efecto no en el color de las estrellas sino en la posición de las líneas oscuras de su espectro, que funcionan como marcas fijas sobre una regla. Por eso en Francia se habla todavía de efecto Doppler-Fizeau. En 1868 el astrónomo británico William Huggins midió así el desplazamiento de una línea del hidrógeno en el espectro de Sirio y dedujo que la estrella se alejaba de la Tierra. La cifra era imprecisa, pero el método estaba abierto.

Medio siglo después, Vesto Slipher encontró que la luz de casi todas las nebulosas espirales llegaba corrida hacia el rojo, y en 1929 Edwin Hubble mostró que ese corrimiento crecía con la distancia. Las galaxias se alejan unas de otras tanto más deprisa cuanto más lejos están, el dato que sostiene la teoría del Big Bang y que también enrojece y debilita la luz de las galaxias más remotas en la paradoja de Olbers. En rigor, el corrimiento cosmológico no es un efecto Doppler clásico, porque no se debe a que las galaxias viajen por el espacio sino a que el espacio mismo se estira mientras la luz lo atraviesa, y su cálculo exige la relatividad. Pero fue la intuición de Doppler la que permitió leerlo.

En la Tierra, el principio está por todas partes. Los radares de tráfico emiten microondas y miden cuánto cambia su frecuencia al rebotar en un coche; los radares meteorológicos hacen lo mismo con las gotas de lluvia para ver cómo gira una tormenta. La ecografía Doppler, desarrollada en Japón en los años cincuenta, envía ultrasonidos que rebotan en los glóbulos rojos y revela la velocidad y la dirección de la sangre en una arteria. Y en 1995 Michel Mayor y Didier Queloz detectaron el primer planeta alrededor de una estrella parecida al Sol midiendo el leve vaivén Doppler que el planeta imprimía a su estrella. Todos descansan sobre lo que cualquiera oye junto a una carretera: lo que se acerca no suena igual que lo que se aleja.

El Big Bang – La paradoja de Olbers – La teoría de la relatividad – El experimento de Michelson y Morley – El ojo y la visión