Pourquoi la sirène d'une ambulance change-t-elle de hauteur en passant ?

La sirène d'une ambulance paraît plus aiguë quand elle fonce vers toi et devient plus grave dès qu'elle te dépasse, alors que la sirène elle-même ne change jamais. C'est l'effet Doppler, du nom du physicien autrichien Christian Doppler, qui l'a décrit en 1842 : le décalage de fréquence d'une onde entre l'émission et la réception, quand la distance entre l'émetteur et le récepteur varie. Par rapport au son réellement émis, ce que tu entends est plus aigu pendant l'approche, identique à l'instant précis du croisement, et plus grave pendant l'éloignement.

L'explication est purement géométrique. Quand la sirène se rapproche, chaque nouvelle onde sonore part d'un point un peu plus proche de toi que la précédente : les ondes se tassent et arrivent plus souvent, la fréquence monte. Quand elle s'éloigne, chaque onde part d'un peu plus loin : elles arrivent plus espacées, la fréquence baisse. Doppler avait proposé l'idée pour la lumière des étoiles en 1842 ; trois ans plus tard, le météorologue néerlandais Buys Ballot l'a testée avec le son et confirmé que la hauteur monte bien à l'approche et baisse à l'éloignement.

Le même décalage vaut pour la lumière, et c'est là qu'il devient puissant. Les astronomes s'en servent pour mesurer à quelle vitesse étoiles et galaxies s'approchent ou s'éloignent de nous, ce qui produit un décalage vers le bleu ou vers le rouge. Il peut révéler qu'une étoile apparemment seule est en fait une binaire serrée, mesurer la vitesse de rotation d'une étoile ou d'une galaxie, ou même détecter des exoplanètes. Une précaution : le décalage vers le rouge dû à l'expansion de l'Univers n'est pas un simple effet Doppler, et les cosmologistes le traitent comme un phénomène à part.

Le radar routier repose sur la même idée, avec des ondes radio au lieu du son : quand une voiture s'éloigne, chaque onde radar doit parcourir un peu plus de chemin avant de revenir, ce qui étire la longueur d'onde reçue et permet au radar de calculer la vitesse de la voiture. Les médecins s'en servent aussi, pour mesurer la vitesse du sang lors des échographies en obstétrique ou en cardiologie.