Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Наблюдение звездной аберрации Дж. Брэдли

Именно явлением аберрации, имеющим место и в отсутствие эффектов теории относительности, мы начинаем раздел, посвященный последней. Это неслучайно, ведь несмотря на существенно различающиеся картины мира, которые создавала физика у исследователей XIX и XX веков, зерна современной науки можно было узреть и задолго до Альберта Эйнштейна.

Необходимо отметить, что специальная теория относительности (СТО) неразрывно связана с изучением законов распространения света: действительно, в качестве одного из постулатов СТО выдвигается утверждение о независимости скорости света в вакууме от движения наблюдателя. Поэтому аберрация, а именно смещение видимого положения звезд на небе вследствие движения Земли, прокладывает дорогу к СТО.

Сущность аберрации сложно описать изящнее, чем на основе аналогии с пешеходом под дождем (Берклеевский курс физики, т.1, см. рис.):

«Когда нет ветра, капли падают вертикально и человек не промокнет, если он будет неподвижно стоять под зонтиком, держа его прямо над головой. Если человек побежит вперед, держа зонтик в том же положении, его пальто промокнет спереди. Относительно движущегося человека капли уже не падают строго по вертикали.»

Количественное изложение данного явления предлагает закон сложения скоростей: капли дождя в системе отсчета, связанной с движущимся прохожим, имеют как вертикальную, так и горизонтальную компоненту скорости, причем последняя в равна скорости пешехода, взятой с противоположным знаком. В результате для движущегося пешехода капли падают уже не вертикально.

Получим нерелятивистскую формулу для аберрации, используя чисто кинематический подход (см. рис.). Свет от звезды, которая находится на очень большом расстоянии от Земли под углом  к горизонту, распространяется по закону:

Предположим, что телескоп наблюдателя направлен по углом  к горизонту и движется горизонтально со скоростью  в сторону звезды. Координаты луча относительно телескопа тогда равны

Чтобы луч света беспрепятственно пролетел через телескоп, необходимо, чтобы

что в случае  дает формулу для наблюдаемого положения звезды над горизонтом:

Данная формула (если ее обобщить на трехмерный случай) хорошо описывает величину звездной аберрации — однако при ее выводе мы считали звезду неподвижной! На самом деле скорости галактик (казавшихся астроному XVIII века всего лишь звездами) относительно Солнца во много раз превышают скорость движения Земли по орбите, тем не менее относительные положения движущихся в разных направлениях звезд и галактик в одной части небесной сферы не меняются вследствие аберрации. Это можно объяснить тем, что величина  в формуле для аберрации — скорость света, приходящего от звезды — не зависит от скорости движения последней. Этот факт противоречит обыденной, механической логике и будет подробно обсуждаться в следующих статьях.

Открытие звездной аберрации принято приписывать английскому астроному Джеймсу Брэдли (1692–1762), однако, по сути дела, само явление наблюдали многие астрономы и до него. Еще в XVII веке с ней сталкивались Жан Пикар (1680), Джон Фламстид (1689),  Роберт Гук (1674). Несмотря на их наблюдения, среди ученых не было согласия относительно фундаментальности наблюдаемого ежегодного смещения звезд на небесной сфере в пределах десятков угловых секунд. Действительно, изначально эти смещения воспринимали как подтверждение теории Коперника о движущейся Земле — однако отсюда должен был следовать и парадоксальный вывод о том, что все звезды находятся примерно на одинаковом расстоянии от Земли! На самом деле, помимо аберрации, звезды имеют и параллакс (т.е. смещение видимого положения при наблюдениях из противоположных точек орбиты Земли), однако последний гораздо меньше величины аберрации и технически не мог наблюдаться в те времена. Параллакс обратно пропорционален расстоянию до звезды и действительно различен для разных звезд.

Таким образом, в начале XVII века аберрацию зачастую приписывали ошибкам в расчетах астрономов и некорректному учету рефракции — преломления лучей в земной атмосфере. Причина такого взгляда состояла в отсутствии теории этого явления.

Это объяснение и предложил Джеймс Брэдли, наблюдавший аберрацию в 1727 г. с помощью специального телескопа. Оказалось, что видимые положения звезд за год действительно описывают на небесной сфере эллиптические траектории с диаметром до 40 угловых секунд, при этом звезды в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты Земли, движутся по окружностям.

Однако встает естественный вопрос: как создать эталон направления на небесной сфере, чтобы сравнивать с ним положения звезд с разницей в полгода? Поскольку положения всех звезд (в том числе полярной)  подвержены годичной аберрации, их нельзя использовать в качестве такого эталона. Брэдли решил эту проблему, изучая положения звезд относительно зенита в точке их прямого восхождения. Именно такой была изучавшаяся им  Дракона, всходящая в зенит для наблюдателей в Лондоне. Таким образом, в качестве эталона был выбран подвес, указывающий направление ускорения свободного падения на Земле. Заодно наблюдение звезд в зените минимизировало влияние рефракции на их видимое положение.

Собранный Брэдли зенитный телескоп изображен на рисунке справа. Металлическая труба длиной более 6 метров, в которой располагались оптические элементы, могла поворачиваться вблизи вертикального положения, которое фиксировалось подвесом. При этом зрительный конец трубы двигался вдоль круговой шкалы, по которой можно было фиксировать склонение звезды. Поскольку ось Земли не меняет своего направления в пространстве в течение года, одна и та же точка на земной поверхности во все времена года поворачивается к неподвижным звездами под одними и теми же углами. В частности, для лондонцев  Дракона всегда проходит вблизи зенита, — хотя в некоторые времена года наблюдать ее невозможно, т.к. восхождение в зенит происходит днем.

Полученным результатам Брэдли дал объяснение на основе закона сложения скоростей, который почерпнул из ньютоновской физики и «здравого смысла»: скорость света складывается со скоростью наблюдателя, т.е. Земли, поэтому в системе отсчета, связанной с движущейся Землей, кажется, что направление светового луча другое. Это соответствовало концепции «эфирного ветра», который должен дуть в движущейся системе отсчета со скоростью, противоположной скорости движения этой системы. Эфир понимался как светоносная среда: свет распространяется относительно него с постоянной скоростью, равной . Однако такая концепция в ее простейшем виде приводит к тому, что и свет от земных источников должен подвергаться сезонной аберрации. На опыте это не подтвердилось — и об этом повествуют следующие разделы.

Немного отклоняясь от темы, следует заметить, что аналог «эфирного ветра» существует в случае звуковых волн: это обычный ветер, ощутимо дующий нам в лицо, когда мы едем на велосипеде. Звук распространяется со скоростью  относительно воздуха. Двое велосипедистов, едущих параллельно друг другу с равными по величине скоростями, будут действительно наблюдать аберрацию звука: каждому будет казаться, что речь друга доносится откуда-то спереди по ходу движения. В случае света, как выясняется, этого не происходит, поэтому встает вопрос в том, чем же свет существенно отличается от звука. В поисках ответов на этот и другие подобные вопросы и возникла специальная теория относительности. 

<<К предыдущему эксперименту  |  Специальная теория относительности  |  К следующему эксперименту>>