Hareketli cisimlerden gelen sesin frekansındaki değişmeyi 1842 yılında Christian Johann Doppler bulmuştur. Bütün dalga hareketlerinde böyle bir değişme olur. Işık ve radyo dalgaları da böyledir. Doppler etkisini, bir trenin gardaki ya da bir geçitteki düdük sesini dinleyerek gözlemleyebiliriz. Tren yaklaşırken, düdük sesi oldukça tiz gelir, yani frekansı yüksektir; tren uzaklaşırken de ansızın kalınlaşır. Ama tren sürücüsü için sesin yüksekliği (frekansı) değişmez. Tersine düdük, geçitte bulunan hareketsiz bir gözlemci tarafından sürekli aynı frekansla çalınsaydı, tren sürücüsü, birinci duruma benzer gözlemler yapacaktı.
Doppler olayı hem gözlemcinin, hem kaynağın bağıl hareketi nedeniyle ortaya çıkar. Doppler olayı kaydedilirse, trenin yaklaşma ya da uzaklaşma hızı, .yani kaynağın gözlemciye göre bağıl hızı bazı hesaplarla çıkarılabilir; ne var ki, yer değiştirenin kaynak mı, yoksa gözlemci mi olduğu belirlenemez.
Söz konusu olayın açıklamasını Avusturyalı fizikçi Christian Andreas Doppler yapmıştır. Her ses gibi düdük sesi de, saniyede belli sayıda beliren ve havada değişmez hızla yayılan bir dizi titreşimden oluşur. Tren yaklaşırken düdük çalarsa, titreşimler arasındaki zaman aralığı gözlemci için kısalır; birbirini izleyen titreşimler, ilk titreşime göre giderek bize daha yakınlaşan kaynaktan yayılacak ve dolayısıyle biri ötekine oranla daha yakından gelecektir. Hareketsiz bir gözlemci için, titreşimlerin frekansı yükselir; tren uzaklaşırken etki ters olur, yani ses kalınlaşır.
Trenin v hızıyla yer değiştirdiğini ve sirenden yayılan değişmez ses peryodunun T olduğunu varsayalım. Oldukça kolay bir hesap, T’=T (1- v/V) bağıntısının geçitteki gözlemcinin alacağı T’ peryodunu verdiğini gösterir, bu ifadede V, saniyede yaklaşık 340 metre olan havadaki ses hızını gösterir.
Tren yaklaşıyorsa v hızı pozitiftir, yani gözlemcinin aldığı sesin T’ peryodu, yayınlanan sesin T peryodundan daha küçük olacaktır; böylece, alınan ses daha yüksektir (tizdir). Tren uzaklaşıyorsa, v hızı tersine negatif olur; bu durumda T’ peryodundan büyüktür ve alınan ses kalınlaşır.
Doppler olayı, ses titreşimleri olsun, ışık dalgalan olsun, bütün peryodik (devirli) hareketlerin belirgin özelliğidir. Bu olayın en ilgi çekici gözlemine gökbilimde raslanır.
Bir ışık kaynağı, sözgelimi bir yıldız, ışık hızına göre önemli sayılacak bir hızla gözlemciye yaklaştığında, ışığın frekansı, yani rengi, gerçekte olduğundan yüksek görünür. Alman ışık incelendiğinde, tayf çizgilerinin mora doğru kaydığı, yani gözlemlenen dalga boylarının kısaldığı saptanabilir. Buna karşılık yıldız uzaklaşıyorsa, tayf çizgileri, dalga boyu mordan daha uzun olan kırmızıya doğru kayar. Olaya kaynakların hızı karıştığı için, bağıllığın göz önünde tutulması gerekir;
halde, kırmızıya doğru bu tayf kayması ölçülerek, yıldızın gözlemciye göre bağıl uzaklaşma hızı hesaplanabilir. Gökadaların olağanüstü hızlarla dünyamızdan uzaklaştığı sonucuna da bu gözlemle ulaşılmıştır.
Doppler etkisi aynca, tayf çizgilerinin genişlemesini açıklar; dolayısıyle de, yıldızları çevreleyen gazların hareketlerini inceleme olanağı verir.