Аберрация света

АБЕРРАЦИЯ СВЕТА (также называемая астрономической аберрацией или звёздной аберрацией) — астрономическое явление, связанное с видимым изменением углового положения небесных тел в годовом цикле. Аберрация приводит к тому, что объекты кажутся смещенными в направлении движения наблюдателя по сравнению с тем, когда наблюдатель неподвижен. Изменение угла, как правило, очень мало — порядка v/c, где $c$ — скорость света, а $v$ — скорость наблюдателя. В случае «звёздной» или «годовой» аберрации видимое положение звезды для наблюдателя на Земле периодически меняется в течение года, когда скорость Земли изменяется при вращении вокруг Солнца, с максимальным углом приблизительно 20 угловых секунд в прямом восхождении или склонении.
Термин аберрация (см.) исторически использовался для обозначения ряда связанных с этим явлений, касающихся распространения света в движущихся телах.[Schaffner, Kenneth F. (1972), Nineteenth-century aether theories, Oxford: Pergamon Press, pp. 99–117 und 255–273] Аберрацию не следует путать с параллаксом. Последнее является изменением видимого положения относительно близкого объекта, измеренного движущимся наблюдателем, относительно более удаленных объектов, которые определяют систему отсчета. Количество параллакса зависит от расстояния объекта от наблюдателя, а аберрации — нет. Аберрация также связана с коррекцией светового времени и релятивистским излучением , хотя часто рассматривается отдельно от этих эффектов.
Аберрация света исторически значима из-за её роли в развитии теорий света, электромагнетизма и, в конечном счете, специальной теории относительности. Это явление было обнаружено в 1728 году Джеймсом Брэдли, который, желая открыть явление ежегодного параллакса, измерил изменения в склонении звезды Элтанина (Гамма Дракона)[A. K. Wróblewski, J. A. Zakrzewski: Wstęp do fizyki. Wyd. 2. T. 1. Wydawnictwo Naukowe PWN, 1984].
Брэдли объяснил этот эффект геометрической композицией орбитальной скорости Земли и скорости света от звезды, получив таким образом формулу:

$\operatorname {tg} \theta ={\frac {v}{c}}$

Эта картина является относительно хорошим приближением для наблюдений не очень далеких звезд от Земли, поскольку она движется с относительно низкой нерелятивистской скоростью (v = 30 км/с). Однако состав скорости и света Земли не является правильной интерпретацией, на самом деле она даёт ошибочные результаты, поскольку требует наличия скоростей, превышающих скорость света в вакууме. Точное объяснение да`т только релятивистская механика [Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 125].
Эта схема позволила Брэдли оценить скорость света в вакууме: 301 000 км / с (в современных единицах). Этот метод измеряет однонаправленную скорость света , а не — как и большинство других — среднюю скорость отраженного света в двух направлениях.[Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 127]
Аберрация света, наряду с разработкой Лоренцем электродинамики Максвелла, проблемой движущегося магнита и проводника, экспериментами по дрейфу отрицательного эфира, а также экспериментом Физо, в 1905 году привела Альберта Эйнштейна к разработке специальной теории относительности, которая представляет общий вид уравнения для аберрации в терминах такой теории.[Norton, John D., John D. (2004), «Einstein’s Investigations of Galilean Covariant Electrodynamics prior to 1905», Archive for History of Exact Sciences, 59: 45–105]

Аберрация света
Аберрацию можно объяснить как разницу в угле пучка света в разных инерциальных системах отсчета. Общая аналогия заключается в рассмотрении видимого направления падающего дождя. Если дождь падает вертикально в системе отсчёта человека, стоящего неподвижно, то для человека, движущегося вперед, дождь, по-видимому, идет под углом, требующим, чтобы движущийся наблюдатель наклонил свой зонт вперед. Чем быстрее движется наблюдатель, тем больше необходим наклон.
Конечный эффект состоит в том, что световые лучи, падающие на движущегося наблюдателя с боков в неподвижной системе отсчёта, будут идти под углом вперед в рамке движущейся точки наблюдения. Этот эффект иногда называют эффектом «прожектора» или «фары».
В случае годовой аберрации звездного света направление входящего звездного света, видимое в движущейся системе Земли, наклонено относительно угла, наблюдаемого в системе Солнца. Поскольку направление движения Земли изменяется во время её орбиты, направление этого наклона изменяется в течение года и приводит к тому, что видимое положение звезды отличается от её истинного положения, измеренного в инерциальной системе Солнца. Теория специальной теории относительности необходима для правильного учёта аберрации. Однако релятивистское объяснение очень похоже на классическое, и в обеих теориях аберрацию можно понимать как случай сложения скоростей. Предполагая, что движение Земли происходит перпендикулярно направлению распространения световой волны, образуя систему статического источника — мобильный наблюдатель. Звезда посылает волны с частотой f 0 , которые согласно релятивистскому эффекту Доплера воспринимаются наблюдателем на Земле как волны с более высокой частотой.
В случае Солнца рассмотрим луч света со скоростью, равной скорости света c, с компонентами скорости $u_{x}} u_{x$ и $u_{y}} u_{y$ , под углом $\tan(\theta )=u_{y}/u_{x}$ . Если Земля движется со скоростью $v$ в направлении $x$ вокруг Солнца, то при сложении компоненты $x$ составляющая скорости луча в системе координат Земли $u_{x}'=u_{x}+v} {\displaystyle u_{x}'=u_{x}+v$ , и скорость $y$ будет неизменна ${\displaystyle u_{y}'=u_{y}} u_{y}'$ .
Таким образом, угол света в системе Земли с точки зрения угла в системе Солнца равен:

$\tan(\phi )={\frac {u_{y}'}{u_{x}'}}={\frac {u_{y}}{u_{x}+v}}={\frac {\sin(\theta )}{v/c+\cos(\theta )}}$

В случае $\theta =90^{\circ }$ , этот результат сводится к $\tan(\theta -\phi )=v/c$ , с пределом ${\displaystyle v/c\ll 1} v/c\ll 1$ , который может быть аппроксимирован $\theta -\phi =v/c$ .

Аберрация света связана с двумя другими явлениями: коррекцией светового времени, которая обусловлена движением наблюдаемого объекта в течение времени, затрачиваемого его светом, чтобы достичь наблюдателя и релятивистским излучением, которое представляет собой поворот света, испускаемого движущимся объектом источника света. Их можно считать эквивалентными, но в другой инерциальной системе отсчета. При аберрации наблюдатель считается движущимся относительно (ради простоты) стационарного источника света, тогда как при коррекции светового времени и релятивистском излучении, источник света считается движущимся относительно стационарного наблюдателя.
Рассмотрим случай, когда наблюдатель и источник света движутся относительно друг друга с постоянной скоростью и луч света движется от источника к наблюдателю. В момент излучения луч в фазе покоя наблюдателя наклоняется по сравнению с лучом в фазе покоя источника, как это понимается через релятивистское излучение. В течение времени, которое требуется лучу света, чтобы достичь наблюдателя, источник света перемещается в кадре наблюдателя, и «истинное положение» источника света смещается относительно видимого положения, которое видит наблюдатель, как объясняется коррекцией времени света. Наконец, луч в кадре наблюдателя в момент наблюдения наклоняется по сравнению с лучом в кадре источника, что можно понимать как аберрационный эффект.
Связь между этими явлениями действительна только в том случае, если моменты наблюдателя и источника являются инерциальными моментами. На практике, поскольку Земля не является инерциальной системой покоя, но испытывает центростремительное ускорение к Солнцу, многие аберрационные эффекты, такие как годовая аберрация на Земле, не могут считаться поправками времени и света. Однако, если время между излучением и обнаружением света короткое по сравнению с орбитальным периодом Земли, Земля может быть аппроксимирована в виде инерциальной системы отсчета, а аберрационные эффекты эквивалентны поправкам на время света.
Существует несколько типов аберраций, вызванных различными компонентами движения Земли и наблюдаемого объекта:

Ежегодная аберрация вызвана орбитальным вращением Земли вокруг Солнца.
Планетарная аберрация — это комбинация коррекции аберрации и светового времени.
Суточная аберрация обусловлена вращением Земли вокруг своей оси.
Вековая аберрация обусловлена движением Солнца и Солнечной системы относительно других звезд в нашей Галактике.

Явление аберрации света было использовано в эксперименте, проведённом в 1871 году Джорджем Бидделлом Эйри, чтобы проверить существование гипотетического центра распространения электромагнитных волн (включая свет), называемого эфиром. Согласно гипотезе о существовании эфира, размер аберрации, создаваемой в связи с движением Земли, должен быть разным в случае измерения в одном телескопе, наполненном водой, и другим в телескопе, наполненном воздухом.[Whittaker, Edmund Taylor (1910), A History of the theories of aether and electricity (1. ed.), Dublin: Longman, Green and Co] Эйри наполнил трубу телескопа водой, чтобы проверить ожидаемое изменение угла аберрации — так называемое Отклонение Френеля, так если бы эфир существовал. Эксперимент не показал изменения размера аберраций. Этот эксперимент получил название «провал Эйри», потому что он не подтвердил существование эфира[George Biddell Airy, “On the Supposed Alteration in the Amount of Astronomical Aberration of Light, Produced by the Passage of the Light through a Considerable Thickness of Refracting Medium,” Proceedings of the Royal Society of London, V20, ss. 35–39 (1871–1872)] (другие физические эксперименты также опровергли гипотезу эфира).

См. Алфавитный указатель статей Большой энциклопедии знаний

Станьте нашим пользователем!

Добро пожаловать!

Изменить свой пароль

Забыли пароль?