Aberracja światła


Aberracja światła w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania Schemat aberracji Schemat przedstawiający aberrację gwiazdową

Aberracja światła (określana także jako aberracja astronomiczna lub aberracja gwiezdna) – zjawisko astronomiczne polegające na pozornym ruchu położenia kątowego ciał niebieskich w cyklu rocznym. Zjawisko to odkrył w 1728 roku James Bradley, który chcąc odkryć zjawisko paralaksy rocznej, mierzył zmiany deklinacji gwiazdy Eltanin (Gamma Draconis)[1].

Spis treści

Aberracja dla małych prędkości | edytuj kod

Bradley wytłumaczył ten efekt geometrycznym złożeniem prędkości orbitalnej Ziemi i prędkości światła od gwiazdy, otrzymując w ten sposób wzór:

tg θ = v c . {\displaystyle \operatorname {tg} \theta ={\frac {v}{c}}.}

Wzór ten jest stosunkowo dobrym przybliżeniem dla obserwacji niezbyt odległych gwiazd z Ziemi, jako że porusza się ona ze stosunkowo niską, nierelatywistyczną prędkością (v = 30 km/s). Jednakże złożenie prędkości Ziemi i światła nie jest poprawną interpretacją, daje w rzeczywistości błędne wyniki, wymaga bowiem istnienia prędkości większych niż prędkość światła w próżni. Dokładne wytłumaczenie podaje dopiero mechanika relatywistyczna[2].

Ten wzór pozwolił Bradleyowi na oszacowanie prędkości światła w próżni na 301 000 km/s (we współczesnych jednostkach). Ta metoda mierzy jednokierunkową prędkość światła, a nie – jak większość innych – średnią prędkość odbitego światła w dwóch kierunkach[3].

Relatywistyczna interpretacja zjawiska aberracji | edytuj kod

Aberracja światła, podobnie jak poprzeczny efekt Dopplera, jest poprawnie tłumaczona przez szczególną teorię względności. Zakładając, że ruch Ziemi odbywa się prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali świetlnej z gwiazdy, stanowiąc układ nieruchome źródło – ruchomy obserwator. Gwiazda wysyła fale o częstotliwości f 0 , {\displaystyle f_{0},} które zgodnie z relatywistycznym efektem Dopplera są odbierane przez obserwatora na Ziemi jako fale o większej częstotliwości. Zgodnie z relatywistyczną transformacją kąta, kąt obserwacji fali w układzie spoczywającym:

tg θ = sin α γ ( cos α + β ) , {\displaystyle \operatorname {tg} \theta ={\frac {\sin \alpha }{\gamma (\cos \alpha +\beta )}},}

gdzie:

β = v c , {\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}},} α {\displaystyle \alpha } – kąt w układzie poruszającym się.

Stosując relatywistyczną transformację kąta, traktując Ziemię jako układ spoczywający, a gwiazdę za obiekt poruszający się, dla aberracji światła uzyskujemy w pełni poprawny wzór na kąt aberracji:

tg θ = γ β = v c 1 β 2 . {\displaystyle \operatorname {tg} \theta =\gamma \beta ={\frac {v}{c{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}.}

Wzór ten musi być stosowany dla dużych względnych wartości prędkości obserwatora i gwiazdy (istotne przy obserwacji odległych gwiazd). Poza tym ruch względny Ziemi i gwiazdy można przy pomocy relatywistycznego składania prędkości sprowadzić do ruchu jednego układu względem spoczywającego drugiego.

Rodzaje aberracji | edytuj kod

Rozróżnia się kilka składników aberracji światła związanych z różnymi składowymi ruchu obserwatora:

  • aberracja dzienna – wynikająca z ruchu obrotowego Ziemi; jej maksymalna wielkość to 0,32 sekundy łuku,
  • aberracja roczna – (najważniejszy rodzaj aberracji światła) spowodowana ruchem orbitalnym Ziemi – maksymalna wartość to 20,5 sekundy łuku (tzw. stała aberracji rocznej),
  • aberracja wiekowa – spowodowana ruchem Układu Słonecznego względem okolicznych gwiazd.

Aberracja roczna jest historycznie pierwszym dowodem na ruch Ziemi wokół Słońca.

Test na istnienie eteru | edytuj kod

Zjawisko aberracji zostało wykorzystane w eksperymencie przeprowadzonym w roku 1871 przez George’a Biddella Airy’ego do sprawdzenia istnienia hipotetycznego ośrodka rozchodzenia się fal elektromagnetycznych (w tym światła), zwanego eterem, „unoszonego” przez Ziemię. Według hipotezy o istnieniu eteru, wielkość aberracji powstającej w związku z ruchem Ziemi, powinna być inna mierzona w teleskopie wypełnionym wodą, a inna mierzona teleskopem wypełnionym powietrzem. Airy napełnił tubę teleskopu wodą, aby sprawdzić przewidywaną zmianę kąta aberracji – tzw. odchylenie Fresnela, gdyby eter istniał – i mierzył teleskopem ów kąt odchylenia dla światła wybranych gwiazd. Eksperyment nie wykazał żadnej zmiany wielkości aberracji. Nazwano więc ten eksperyment – Airy’s failure (niepowodzenie), ponieważ nie potwierdził on istnienia eteru[4]. (Inne eksperymenty fizyczne również obaliły hipotezę eteru.)

Przypisy | edytuj kod

  1. Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 126.
  2. Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 125.
  3. Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 127.
  4. 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, s. 35–39 (1871–1872). (ang.).

Bibliografia | edytuj kod

Na podstawie artykułu: "Aberracja światła" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy