Spis treści
Aberracja światła
Aberracja światła (określana także jako aberracja astronomiczna lub aberracja gwiezdna) – zjawisko astronomiczne polegające na pozornej zmianie nachylenia kątowego ciał niebieskich w wyniku ruchu ziemi w cyklu rocznym. Zjawisko to odkrył w 1728 roku James Bradley[1], który chcąc odkryć zjawisko paralaksy rocznej, mierzył zmiany deklinacji gwiazdy Eltanin (Gamma Draconis)[2].
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:
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[3].
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[4].
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 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:
gdzie:
- – 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:
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 20,5 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 | 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[5]. (Inne eksperymenty fizyczne również obaliły hipotezę eteru.)
Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ aberracja światła, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2022-09-10] .
- ↑ Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 126.
- ↑ Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 125.
- ↑ Wróblewski i Zakrzewski 1984 ↓, s. 127.
- ↑ 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 | edytuj kod]- A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski: Wstęp do fizyki. Wyd. 2. T. 1. Wydawnictwo Naukowe PWN, 1984. ISBN 83-01-01359-1.
Literatura dodatkowa
[edytuj | edytuj kod]- Jan Flis: Szkolny słownik geograficzny. Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1986, s. 21.