Aberracja światła

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Schemat aberracji
Schemat przedstawiający aberrację gwiazdową.

Aberracja światła (określana także jako aberracja astronomiczna lub aberracja gwiezdna) to 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 γ (gamma) Draconis.

Aberracja dla małych prędkości[edytuj | edytuj kod]

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


\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=30km/s). Jednakże złożenie prędkości Ziemi i światła nie jest poprawną interpretacją, daje w rzeczywistości błędne wyniki, wymaga bowiem istnienia prędkości większych niż prędkość światła. Dokładne wytłumaczenie podaje dopiero mechanika relatywistyczna.

Relatywistyczna interpretacja zjawiska aberracji[edytuj | 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 f0, 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:


\operatorname{tg}\theta=\frac{\sin\alpha}{\gamma(\cos\alpha+\beta)}, gdzie \beta=\frac{v}{c}

α - 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:


\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 | 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 20,50 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 | 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[1]. (Inne eksperymenty fizyczne również obaliły hipotezę eteru.)

Przypisy

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Jan Flis: Szkolny słownik geograficzny. Warszawa: WSiP, 1986, s. 21.