Bài đọc thêm: tiểu sử Johann Doppler

Bạn ném một hòn đá xuống hồ nước. Những sóng tròn sẽ lan truyền từ nơi hòn đá chạm mạt nước cho đến tận bờ hồ. Khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kế tiếp được gọi là bước sóng. Số đỉnh sóng tới được bờ trong  một giây (nhận được bằng cách lấy vận tốc truyền sóng chia cho bước sóng) gọi là tần số của sóng. Cũng như vậy, một nguồn sáng sẽ phát các sóng đồng tâm truyền với vận tốc 300.000 kms, chỉ có điều  các sóng này không  phải hình tròn mà là hình cầu. Ánh sáng cũng được đặc trưng bởi bước sóng  l và tần số f tỷ lệ nghịch với l (f = c / l ) với c là vận tốc ánh sáng. Bước sóng hoặc tần số của ánh sáng xác định năng lượng  E của nó. Ánh sáng có năng lượng càng  lớn nếu tần số của nó càng cao hay bước sóng của nó càng  ngắn (E a  f  hay E a  1 / l ) (đọc là E tỷ lệ với f  hay tỷ lệ nghịch với bước sóng l ) 

Phổ của các sóng điện từ nhận được bằng cách thay đổi bước sóng hoặc tần số của ánh sáng. Tia gamma có bước sóng  ngắn nhất (khoảng  1 phần mười tỷ cm), tần số lớn nhất (các sóng tới có số lượng  là 300 tỷ tỷ [3.10²⁰ / s] và có năng lượng  lớn nhất. Theo thứ tự giảm về năng lượng hoặc tần số, hay một cách tương đương, với sự tăng về bước sóng ta lần lượt có tia X, ánh sáng tử ngoại, ánh sáng thấy được, ánh sáng hồng ngoại và sóng vô tuyến. Ánh sáng thấy được chỉ chiếm một vùng rất nhỏ, với bước sóng  nằm trong  khoảng giữa 3 và 7 hần trăm ngàn cm và tới đập vào mắt chúng ta với tần số khoảng  1 triệu tỷ (10¹⁵) / s Đối với ánh sáng vô tuyến, bước sóng của nó có thể đạt tới 1 km và với tần số tương đối nhỏ, cỡ 300.000/s

Màu của ánh sáng thấy được

Bầu khí quyển không trong suốt với mọi dạng ánh sáng. Chỉ có ánh sáng thấy được và một phần nhỏ ánh sáng hồng ngoại  và ánh sáng vô tuyến là có thể đi qua nó và được  thu bởi kính thiên văn trên trái đất. Những ánh sáng  khác chỉ có thể thu được  ở bên trên bầu khí  quyển trái đất.nhờ các kính thiên văn mang bởi vệ tinh.

Bước sóng của ánh sáng (hay tần số hoặc năng  lượng của nó) sẽ bị thay đổi khi nguồn sáng chuyển động đối với người quan sát (hoặc khi người quan sát chuyển động đối với nguồn sáng: ở đây chỉ tính đến chuyển động tương đối). Nếu nguồn sáng chuyển động ra xa, ánh sáng sẽ mất nhiều thời gian hơn để đến được tới người quan sát, bước sóng quan sát được, l(q..sát), tức  khoảng cách giữa hai đỉnh sóng  kế tiếp tới người quan sát sẽ dài hơn so với bước sóng của ánh sáng được phát ra, l(phát) theo công thức:

trong đó v là vận tốc tương đối của nguồn sáng và người quan sát; c là vận tốc ánh sáng. Tần số và năng lượng ánh sáng quan sát được sẽ nhỏ hơn so vói ánh sáng  phát ra. Nếu thay vì chuyển động ra xa, nguồn sáng chuyển động  lại gần, thì bước sóng quan sát được sẽ ngắn hơn bước sóng của ánh sáng  phát ra. Khi đó, trong công thức trên ta chỉ cần thay dấu cộng (+) thành dấu trừ (-) . Tần số  và năng lượng của ánh sáng quan sát được trong trường hợp này sẽ tăng thay vì giảm. Hìện tượng này còn gọi là "hiệu ứng Doppler" theo tên nhà vậ lý đã nghiên cứu nó. Chính nhờ dùng công thức trên  và một radar mà cảnh sát đo được vận tốc xe ô tô của bạn trên xa lộ. Viên cảnh sát đã biết truớc tần số (hoặc bước sóng l(phát)do radar  phát ra. Anh ta có một dụng cụ đo tần số (hoặc bước sóng l(q. sát) của sóng vô tuyến phản xạ ở phía sau xe của bạn!

Hiệu ứng Doppler cũng áp dụng được cho âm thanh. Tất cả chúng ta chắc đều nhận thấy rằng tiếng còi xe sẽ trở nên gắt hơn (tần số cao hơn) khi xe tiến lại gần và trở nên trầm hơn khi xe chạy ra xa.

Trong trường hợp ánh sáng thấy được, ánh sáng đỏ là có bước sóng dài (tức là có tần số và năng lượng nhỏ) hơn so với ánh sáng xanh. Chính vì vậy mà người ta đã dùng thuật ngữ "dịch chuyển về đỏ"  để chỉ hiện tượng buớc sóng của ánh sáng phát trở nên dài ra do chuyển động chạy ra xa của các thiên hà do sự giãn nở của vũ trụ.) thậm chí đối với cả những ánh sáng không nhìn thấy.  Độ dịch chuyển về phía đỏ được định nghĩa là độ  thay đổi tương đối của bước sóng so với bước sóng  phát:

Ngược lại, hiên tượng co ngắn bước sóng của ánh sáng phát do chuyển động tiến lại gần của nguồn sáng được gọi là "dịch chuyển về phía xanh". Công thức tính cho trường hợp này cũng tưong tự như dịch chuyển về phía đỏ, chỉ có điều khác là tử số của công thức trên  được thay bằng  l(phát - l(q. sát). Các công thức trên  chỉ đúng đối với  những vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng c. Khi v tiến tới gần x, ta  phải dùng công thức cho bởi thuyết Tương Đối Hẹp:

Kết quả ta được:

Theo công thức trên, rõ ràng là khi v tiến gần đến c, mẫu số sẽ tiến dần tới zero và độ dịch chuyển về phía đỏ z sẽ trở nên rất lớn. Những tinh tú  có dịch về phía đỏ lớn nhất mà ta biết được là các quasar. Trong trường hợp này giá trị z lớn nhất vào cỡ 4,4 tức  là ánh sáng của nó dịch về phía đỏ 440%. Để so sánh, z của một thiên hà gần trong đám thiên hà Vierge ở cách chúng ta 44 triệu năm ánh sáng chỉ có giá trị  là 0,003. Ánh sáng của nó chỉ dịch về phía đỏ 0,3%. Từ định luật Hubble, định luật liên hệ  độ dịch về phía đỏ với khoảng cách, suy ra rằng các quasar với độ dịch chuyển  lớn về phía đỏ ở rất xa chúng ta, tận biên giới của vũ trụ. Vì nhìn xa tức là nhìn được sớm, nên quan sát một quasar với z = 4,4 tương đương với việc lần ngược lại thời gian về thời kỳ mà tuổi của vũ trụ mới được  2 tỉ năm, tức là  nhỏ hơn  một phần năm tuổi hiện nay của nó. Những tinh tú với z lớn giống như các di vật khảo cổ sẽ giúp ta giải mã quá khứ của vũ trụ.

Rất gần đây thôi, các độ dịch về phía đỏ đã biét của thiên hà là rất nhỏ so với độ dịch của các quasar: chúng không vượt quá  1. Nhưng  vào năm 1988, những thiên hà ở rất xa đã được phát hiện và chúng có z đạt tới cỡ 3,5 so với độ dịch của các quasar. Những quan sát này ngụ ý rằng các thiên hà đã được sinh ra từ rất sớm, khoảng 2 đến 3 tỉ năm sau Big Bang. Mọi mô hình của vũ trụ có tham vọng  mô tả sự hình thành của các thiên hà đều phải tính đến điều dó. Vũ trụ -đồ chơi được choán đầy bởi vật chất tối lạnh mà đa số các  nhà vũ trụ học hiện nay đều tán thưởng lại không phù hợp với thực tế đó, bởi vì các thiên hà trong vũ trụ này hình thành quá muộn, khoảng  5 tỉ năm sau Big Bang

© http://vietsciences.free.fr  Trịnh Xuân Thuận - Phạm Văn Thiều (La mélodie secrète)