Аберрация света звезды доклад

Обновлено: 17.06.2024

Явление аберрации связано с конечной скоростью распространения света. Допустим, мы наблюдаем движущийся светящийся объект, например, звезду на небосводе. Этот объект за время прохождения света к наблюдателю успевает сместиться к моменту наблюдения на некоторое угловое расстояние. Угол между наблюдаемым положением объекта и его истинным положением в момент наблюдения называется углом аберрации. Оказывается, что наблюдаемая скорость движущегося объекта и его действительная скорость могут отличаться из-за искажений световой волны (эффект Доплера, искажение фронта волны и др.). Опираясь на явление аберрации, удалось проанализировать сущность теории относительности. Эйнштейн не принял во внимание явление аберрации света и построил теорию относительности, используя наблюдаемую, а не действительную скорость материального объекта. Это прямо связано с определением скорости относительного движения инерциальных систем отсчета. Если в преобразовании Лоренца выразить наблюдаемую скорость через действительную скорость относительного движения инерциальных систем, то многочисленные парадоксы получают корректное объяснение (исчезают). Исправление этой ошибки возвращает физику к классическим представлениям о пространстве и времени. Новый подход позволяет дать правильное объяснение парадоксу Эренфеста и объяснить особенности работы циклических ускорителей. Работа имеет важное теоретическое, практическое и философское значение.

Введение

С позиции теории познания любое явление из заданной совокупности представляет собой сочетание особенного (характерного только для данного явления и отличающего данное явление от остальных явлений) и общего (т.е. того, что остается неизменным , инвариантным для всех явлений, принадлежащих взятому классу условий).

Очевидно, что по одному явлению познать сущность не представляется возможным. Сущность познается по совокупности явлений, принадлежащих заданному классу условий, т.е. по закономерности .

Явление можно наблюдать, измерять фотографировать. В этом смысле выражения: "нам будет казаться ", "мы будем измерять", "мы будем фотографировать" и т.п. будут равнозначными в том смысле, что принадлежат процессу регистрации явления. В слове "кажется " нет никакой иллюзии, мистики, а есть отношение к сущности. Однако и сущность, как инвариантное представление, может быть охарактеризована некоторыми инвариантными параметрами. Эти характеристики есть инвариантные проявления сущности. В рассмотренном выше примере одним из инвариантных проявлений сущности (характеристик сущности) служит сферическая форма вплавленного в стекло шарика.

Познание сущности идет от явлений, путем отсечения второстепенного, особенного , к выделению того общего , что остается неизменным (инвариантным) для всех явлений данной совокупности. Это общее для всех явлений выступает в качестве определенных количественных и качественных характеристик (инвариантные проявления сущности ). Сущность как общее для всех явлений отражает глубинные связи и отношения. Процесс поиска сущности отталкивается от этих инвариантных характеристик к формулировке сущности (гипотеза, модель и т.д.). Этот процесс сложен и пока не создано каких-либо рецептов для прямого перехода от явлений к сущности. Схематически путь от закономерности к сущности можно проиллюстрировать следующей схемой:

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ :

Класс условий : Условие 1. Условие 2. Условие 3. … Условие N.

Совокупность явлений : Явление 1. Явление 2. Явление 3. … Явление N.

Отсечение особенного , выявление общего для всех явлений

(поиск инвариантов и симметрий)

Формулировка сущности

Этот процесс предусматривает выделение инвариантных характеристик (инвариантных проявлений сущности), на базе которых идет процесс осмысления и формулировки сущности. Из проведенного анализа вытекает, что поиск симметрий и инвариантов в физике имеет под собой глубокое основание. Инварианты и симметрии в физических теориях выступают как инвариантные проявления сущности . Опираясь на них, следует отыскивать сущность явлений.

Например, уравнение для идеального газа имеет вид: PV /T = const (произведение давления газа на его объем, деленное на его абсолютную температуру неизменно). Мы можем исследовать ряд закономерностей: адиабатный процесс, изобарический процесс, политропный процесс и т.д. Опираясь на эти закономерности можно сформулировать сущность этого закона следующим образом:

«Величина PV /T сохраняется неизменной, если:

– если в объеме число молекул газа сохраняется неизменным,

– молекулы представляют собой материальные точки, имеющие массу,

Эти положения определяют модель идеального газа , которая лежит в основе этих процессов.

Приведенные выше рассуждения, как говорилось, не позволяют дать универсальный метод перехода от явлений к сущности. Этот переход опирается на интуицию , на поиск модели и выдвижение гипотезы , которые как раз и должны объяснить сущность закономерности. Поэтому переход от явлений к сущности является творческим и не всегда однозначным. Он зависит от правильного, глубокого понимания закономерностей и от мировоззренческих позиций ученого

Приведенный анализ дает возможность сформулировать весьма полезное правило, которое позволяет отделить явление и его характеристики от сущности и ее инвариантных проявлений:

ЯВЛЕНИЕ ЗАВИСИТ ОТ УСЛОВИЙ ЕГО НАБЛЮДЕНИЯ

СУЩНОСТЬ ОТ ЭТИХ УСЛОВИЙ НЕ ЗАВИСИТ .

Конечно, проблема связи условия, явления, закономерности и сущности этим одним правилом не исчерпывается. Условия могут быть различными: существенными и несущественными. Сущность в полном объеме (как абсолютную истину) познать невозможно, даже если мы имеем несколько закономерностей. Поэтому говорят о "срезах" сущности, о сущностях первого, второго и других порядков.

1. Явления и условия. Закономерность

В естественных науках явления исследуются с помощью экспериментов (реальных или идеальных = мысленных ). Экспериментатор всегда имеет возможность менять условия эксперимента. В результате он имеет набор явлений, опираясь на который он пытается осмыслить сущность исследуемых явлений.

Каждому фиксированному условию эксперимента отвечает свое явление. Оно в чем- то (количественно и качественно) отличается от явлений с другими условиями. Варьируя, например, одно из условий, исследователь получает количественную (или качественную) зависимость некоторых характеристик явления от условия (закономерность ). Закономерность отражает причинно следственные отношения между условиями наблюдения явлений и характеристиками этих явлений.

Как мы уже говорили, наблюдатель является обязательным атрибутом регистрации явлений. Сами явления по отношению к наблюдателю можно разбить на два разных вида по их причинной обусловленности:

1. Наблюдения явлений, связанные с исследованием и регистрацией характеристик взаимодействия материальных объектов (динамический вид).

2. Наблюдения явлений, связанные с переходом наблюдателя из одной системы отсчета в другую: например, в новую инерциальную систему отсчета, либо в линейно ускоренную, либо во вращающуюся и т.д. Последний вид наблюдений определяет кинематический вид регистрации и описания явлений.

Причина подобного разделения следующая. Взаимодействие есть процесс (но не явление!), протекающий в данной точке пространства в фиксированный интервал времени. Взаимодействие объективно . Оно не зависит от того, сколько наблюдателей исследуют процесс взаимодействия, и какие системы отсчета они себе выбрали.

Например, в Праздничный вечер множество горожан могут наблюдать салют. Они могут располагаться на разных расстояниях от места проведения салюта и рассматривать это явление с разных точек (например, из окон зданий). Но сам процесс горения ракет никак не зависит от того, где они находятся в данный момент и какое место для наблюдения они выбрали. Именно по этой причине описание взаимодействия (горения пороха) должно носить инвариантный характер, независимый от числа и положения наблюдателей. Такое описание взаимодействия (динамический подход к описанию) имеет сущностный характер и описывает одну из сторон сущности взаимодействия. Динамическое описание не зависит от выбора системы отсчета наблюдателем.

Здесь наблюдатель (или наблюдатели) может сделать шаг от совокупности результатов наблюдений явления к сущности наблюдаемых явлений, т.е. от совокупности наблюдаемых характеристик явлений к описанию взаимодействия, как одной из характеристик сущности.

Мы хотим обратить внимание на важный факт:

При наблюдении материального объекта или процесса взаимодействия положение наблюдателя и выбор им системы отсчета не влияет ни на исследуемый материальный объект, ни на процесс взаимодействия.

Само собой разумеется, что наблюдатель сам не воздействует на материальный объект и не влияет на процесс взаимодействия.

Заметим, что люди интуитивно понимают это. Например, находясь перед кривым зеркалом, человек никогда не принимает свое отражение (явление ) за действительное, неискаженное (сущность ). В теории относительности все иначе вопреки здравому смыслу.

2. Способы отображения

Явление связано с отображением характеристик реального процесса или характеристик материального объекта в систему отсчета наблюдателя. В физике в основном используются два вида отображений.

1. Классическое отображение . Со школьной скамьи, решая физические задачи механики, мы привыкли к тому, что положение тела в пространстве в данный момент времени отображается объективно (без каких либо искажений или запаздываний). Такое отображение опирается по своей сути на мгновенную передачу информации. Оно никогда и ни у кого не вызывало подозрений в некорректности, хотя никто и никогда не предлагал физической модели реализации этого способа.

3. Однако оба способа не являются независимыми . Мы, зная скорость относительного движения систем отсчета, направление светового потока и т.д., всегда можем сделать переход (пересчет) от одного вида отображения к другому. Например, учитывая скорость распространения световых лучей, мы можем перейти от классического способа отображения к отображению явления световыми лучами. И обратно, можно всегда перейти от отображения световыми лучами к классическому отображению явлений. Это весьма важный факт.

Примером может служить явление аберрации. Значение слова "Аберрация света" в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:

Итак, видимое положение движущегося объекта (например, спутника, кометы и т.д.) – явление , получаемое с помощью световых лучей. Однако помимо наблюдаемого существует действительное или истинное положение этого объекта. Это действительное (истинное) положение наблюдаемого объекта в момент времени, когда мы регистрируем (наблюдаем) его видимое положение. Угол между действительным и видимым (наблюдаемым) положениями есть угол аберрации .

Пусть в некоторой инерциальной системе покоится источник, который излучает световые импульсы через равные промежутки времени Т . В инерциальной системе отсчета, где находится неподвижный наблюдатель, этот источник будет двигаться относительно наблюдателя с некоторой постоянной скоростью вдоль оси х . Поскольку относительная скорость инерциальных систем отсчета постоянна, неподвижный наблюдатель будет видеть вспышки, причем точки вспышек будут располагаться на равном расстоянии L друг от друга. Измеряя время между соседними вспышками (t_n – t_n- ₁ ), и зная, что расстояние между ними равно L, он может вычислить скорость для различных участков оси х .

Оказывается, что эта наблюдаемая скорость v = L / (t_n – t_n- ₁ ) не будет постоянной. Она будет убывать по мере движения источника световых вспышек вдоль оси х мимо наблюдателя, поскольку

Рис. 5

Скорость света относительно звезды — излучателя, равна с, а в системе Земли — приемника, движущегося со скоростью v перпендикулярно направлению движения света, равна с₁ и находится по формуле

На самом деле величина аберрации для различных звезд разная.

Известно, что некоторые звезды во Вселенной движутся со значительными скоростями относительно Солнечной системы. Свет от звезд, которые приближаются к нам или удаляются от нас со скоростью порядка 300 км/с, изменяет свою скорость на Земле на такую же величину. Величина аберрации этих звезд тоже изменяется до минус или плюс 0,02?, что значительно превышает современную разрешающую способность приборов в определении положения звезд (0,001?).

Разнобой в измерениях величины аберрации связан не только с неравномерностью движения Земли по орбите и техническими сложностями, но и с ошибочным представлением о скорости света.

Звездная космогония

Звездная космогония Две концепции Пожалуй, следует начать с того, что в современной науке о происхождении и эволюции звезд и звездных систем существуют два резко выраженных противоположных и враждующих между собой направления. Одно из них старое, классическое, в

3.7. Блеск, абсолютная звездная величина и альбедо астероидов

3.7. Блеск, абсолютная звездная величина и альбедо астероидов Астероиды, как и все тела Солнечной системы кроме центрального тела, светят отраженным светом Солнца. При наблюдении глаз регистрирует световой поток, рассеянный астероидом в направлении на Землю и проходящий

Звездная смерть: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры

Звездная смерть: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры Солнцу и Земле около 4,5 миллиарда лет, это примерно треть возраста Вселенной. Спустя примерно еще 6,5 миллиарда лет в солнечном ядре иссякнет ядерное топливо, которое поддерживает жар Солнца. Тогда начнется

Словом аберрация обозначают множество оптических эффектов связанных с искажением объекта при наблюдении. В этой статье мы расскажет о нескольких видах аберрации, наиболее актуальных для астрономических наблюдений.

Аберрация света в астрономии это кажущееся смещение небесного объекта вследствие конечной скорости распространения света в сочетании с движением наблюдаемого объекта и наблюдателя. Действие аберрации приводит к тому, что видимое направление на объект не совпадает с геометрическим направлением на него в тот же момент времени.

Эффект состоит в том, что вследствие движения Земли вокруг Солнца и времени, необходимого для распространения света, наблюдатель видит звезду не в том месте, где она находится. Если бы Земля была неподвижна, или если бы свет распространялся мгновенно, то световой аберрации не было бы. Поэтому, определяя положение звезды на небе посредством телескопа, мы должны отсчитать не тот угол, под которым наклонена звезда, а несколько увеличив его в сторону движения Земли.

Эффект аберрации не велик. Наибольшая его величина достигается при условии движения земли перпендикулярного направлению луча. При этом отклонение положения звезды составляет всего 20,4 секунды, потому что земля в 1 секунду времени проходит только 30км, а луч света— 300 000км.

Существует также несколько видов геометрической аберрации. Сферическая аберрация — аберрация линзы или объектива, заключающаяся в том, что широкий пучок монохроматического света, исходящий из точки, лежащей на главной оптической оси линзы, при прохождении через линзу пересекается не в одной, а во многих точках, расположенных на оптической оси на разном удалении от линзы, вследствие чего изображение получается нерезким. В результате такой точечный объект как звезду можно видеть как небольшой шарик, принимая размер этого шарика за размеры звезды.

Кривизна поля изображения — аберрация, в результате которой изображение плоского объекта, перпендикулярного к оптической оси объектива, лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу. Эта аберрация вызывает неравномерную резкость по полю изображения. Поэтому, когда центральная часть изображения сфокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе и изображение нерезко. Если установку на резкость производить по краям изображения, то его центральная часть будет нерезкой. Этот вид аберрации не существенен для астрономии.

А вот и еще несколько видов аберрации:

Хроматические аберрации заключаются в паразитной дисперсии света, проходящего через оптическую систему (фотографический объектив,бинокль, микроскоп, телескоп и т.д.). При этом белый свет разлагается на составляющие его цветные лучи, в результате чего изображения предмета в разных цветах не совпадают в пространстве изображений. Хроматические аберрации ведут к снижению чёткости изображения, а иногда также и к появлению на нём цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствовали. Для астрономов этот эффект может изменить истинный цвет звезды. Хроматическая аберрация может увеличить эффект сферической аберрации.

Дифракциoнная аберрация возникает вследствие дифракции света на диафрагме и оправе фотообъектива. Дифракционная аберрация ограничивает разрешающую способность фотообъектива. Из-за этой аберрации минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом, ограничено величиной лямда/D радиан, где ламда — длина волны используемого света (к оптическому диапазону обычно относят электромагнитные волны с длиной от 400 нм до 700 нм), D — диаметр объектива. Глядя на эту формулу становится понятным, на сколько важен диаметр объектива. Именно этот параметр является ключевым для самых больших и самых дорогих телескопов. Также ясно, что телескоп способный видеть в рентгеновских лучах выгодно отличается от обычного оптического телескопа. Дело в том, что длинна волны рентгеновских лучей в 100 раз меньше длинны волны света в оптическом диапазоне. Следовательно для таких телескопов минимально различимое угловое расстояние в 100 раз меньше чем для обычных оптических телескопов с тем же диаметром объектива.

Изучение аберрации позволило существенно усовершенствовать астрономические приборы. В современных телескопах эффекты аберрации сведены в минимуму, однако именно аберрация ограничивает возможности оптических приборов.

Аберра́ция све́та (лат. aberratio, от ab от и errare блуждать, уклоняться) — изменение направления распространения света (излучения) при переходе из одной системы отсчёта к другой [1] .

При астрономических наблюдениях аберрация света приводит к изменению положения звёзд на небесной сфере вследствие изменения направления скорости движения Земли. Различают годичную, суточную и вековую аберрации. Годичная аберрация связана с движением Земли вокруг Солнца. Суточная — обусловлена вращением Земли вокруг своей оси. Вековая аберрация учитывает эффект движения солнечной системы вокруг центра Галактики [2] .

Явление аберрации света приводит также к неизотропности излучения движущегося источника. Если в системе покоя источника его излучение изотропно, то в системе отсчёта относительно которой он движется, это излучение будет неизотропным, с повышением интенсивности в направлении движения источника [1] .

Содержание

Описание явления

Аберрация света связана с правилом сложения скоростей и имеет простую и наглядную аналогию в обыденной жизни. Предположим, человек с зонтом находится под дождём, капли которого падают вертикально вниз. Если человек побежит с некоторой скоростью, то капли начнут падать под наклоном, ему навстречу. Чтобы не промокнуть человек должен наклонить зонт в направлении движения [3] . Необходимо помнить, что описанная выше ситуация является лишь аналогией световой аберрации. Свет движется существенно быстрее, чем капли дождя. Поэтому для описания аберрации света необходимо пользоваться релятивистским законом сложения скоростей.

Пусть инерциальная система отсчёта S' движется со скоростью v относительно системы отсчёта S. Обозначим через угол в системе S между направлением распространения света и скоростью v. Аналогичный угол в системе S' обозначим через . Связь этих углов описывается формулой аберрации света:

$\sin\theta = \frac<\sqrt<1-v^2/c^2> \sin\theta$

где — скорость света. Иногда эта формула записывается с минусом перед скоростью в знаменателе, если в качестве направления используется вектор, ориентированный навстречу световому сигналу (от наблюдателя к источнику).

$\alpha=\theta$

Угол называется углом аберрации [1] . В случае, если относительная скорость систем отсчёта v мала, то угол аберрации равен:

$\alpha = \theta$

Приведенные выше формулы не зависят от скорости источника света. Связано это с тем, что значение скорости света не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приёмника. Кроме этого аберрационные формулы применимы не только к световым сигналам, но и к любым ультрарелятивистским частицам, движущимися со скоростями близкими к скорости света.

Сложение скоростей

Формулы для аберрации света непосредственно следуют из релятивистского правила сложения скоростей. Пусть система отсчёта S' движется относительно системы отсчёта S со скоростью v вдоль оси x (оси систем параллельны). Если некоторая частица имеет компоненты скорости , в системе S и со штрихами в системе S', тогда выполняются соотношения [4] :

$u_x = \frac<u$

Компоненты скорости частицы, движущейся со скоростью света равны и аналогично со штрихами в системе S'. Подставляя их в преобразования для получаем формулу для аберрации света. Преобразования для приводят к аналогичной связи для косинусов в обеих системах отсчёта.

Преобразование волнового вектора

Приведенный в предыдущем разделе вывод применим к объектам независимо от их природы. Это могут быть как частицы, движущиеся со скоростью света, так и электромагнитная волна. Для волновых сигналов формулу аберрации света можно получить также из закона преобразования для волнового вектора. Волновой вектор " width="" height="" />
направлен перпендикулярно фронту волны и вместе с её частотой образует компоненты 4-вектора \>" width="" height="" />
. В соответствии с преобразованиями Лоренца компоненты этого вектора, измеренные наблюдателями в двух инерциальных системах отсчёта, имеют вид:

$\omega = \frac<\omega$

Квадрат волнового вектора равен ^2=\omega^2/c^2" width="" height="" />
. Введём угол между волновым вектором и осью x (и, следовательно, скоростью v), так, что и и аналогично со штрихами в системе отсчёта S'. Равенство проекций волнового вектора на ось y в двух системах отсчёта приводит к соотношению . Исключая частоту при помощи первого уравнения преобразований Лоренца, получаем формулу для аберрации света. Одновременно с ней преобразования Лоренца приводят к соотношениям для релятивистского эффекта Допплера.

Аберрация в астрономии

Аберрационная постоянная

Аберрационная постоянная характеризует геометрические размеры эллипса, который описывает звезда на небесной сфере в течение года.

Определение аберрационной постоянной непосредственно из наблюдений сопряжено с систематическими трудностями. На международном совещании по астрономическим постоянным в Париже в 1950 г. было принято решение об исключении аберрационной постоянной из числа фундаментальных астрономических постоянных, определяемых непосредственно из наблюдений. В дальнейшем выводить ее значение предполагается из параллакса Солнца [5] . Начиная с 1960 г. с развитием Радиолокационной астрономии астрономическую аберрацию стали вычислять гораздо точнее при Радиолокации планет [6] .

Значение постоянной аберрации принята Международным Астрономическим Союзом (на 2000 г.) k = 20,49552″.

Аберрация интенсивности излучения

Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.
Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

Исторический обзор

$\tan \phi = \frac<v> Аберрация света была открыта в 1727 г. английским астрономом Брэдли, который, намереваясь определить параллаксы некоторых неподвижных звёзд, заметил их перемещение. Брэдли объяснял явление аберрации как результат сложения скорости света и скорости наблюдателя. [7] Бредли предполагал величину аберрации равной$
, где v орбитальная скорость Земли, с скорость света. Открытие аберрации вместе с тем послужило новым подтверждением орбитального движения Земли и справедливости вычисления датского астронома Ремера относительно скорости света.

Объяснения аберрации в рамках эфирных теорий

Создание теории относительности

Возмем наблюдателя, движущегося со скоростью относительно бесконечно удаленного источника света. Пусть угол между линией, соединяющей источник света с наблюдателем, и скоростью наблюдателя, отнесенной к координатной системе (покоящейся относительно источника света). Теперь если обозначить через угол между нормалью к фронту волны (направлением луча) и линией, соединяющей источник света с наблюдателем, то формула имеет вид

$\cos \phi$

$\phi=\frac<\pi> Для случая ,$
принимает простой вид [10]

Читайте также: