Продолжаем знакомиться с основными идеями специальной теории относительности (СТО). Нередко слышишь мнение, что аберрация света звезд опровергает СТО. Вроде бы она обусловлена эфирным ветром, и дает возможность обнаружить абсолютное движение. Например орбитальное движение Земли вокруг Солнца.
В статье Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» есть параграф, посвященный теории аберрации. Возможен ли был бы анализ аберрации с точки зрения СТО, будь это явление несовместимым с теорией?
Впрочем, разберемся предметно.
Аберрация и дождь
В астрономии аберрация – видимое смещение звезд в сторону движения наблюдателя. Как представляется, аналогично тому, как прямой дождь окажется для бегущего человека косым (бьющим в лицо). Таким манером дело объясняют в популярной литературе, и на рисунке выше представлен образчик.
Но тут имитация объяснения. Свет – не капли дождя, даже если вспомнить про фотоны. К тому же создается ложное представление, что вся суть в трубе телескопа, а вот если бы не она…
Дело - труба?
Телескоп – всего лишь инструмент. Который фиксирует явление таким, каково оно есть. Аберрация связана с наклоном волнового фронта. Нормаль к фронту и есть направление, на котором мы увидим источник волны!
Хотя не все так просто. Действительно, пусть волновой фронт параллелен траектории движения наблюдателя (звезда «на траверзе»). Тогда он вроде бы останется параллельным при любой его скорости! А как же аберрация?
Как в СТО объясняется аберрация?
Собственно, к СТО явление имеет мало отношения. Аберрация – эффект первого порядка. Такие эффекты обусловлены всегда конечной скоростью распространения взаимодействий. Аберрация описывается формулами преобразования скоростей: при переходе в другую ИСО скорость света изменяет направление.
Но можем представить дело нагляднее.
Разве звезда находится на том направлении, где ее видим? Нет, конечно.! Звезду мы видим там, где она была миллион лет назад. Когда излучила свет, который достиг нас только сейчас.
Пусть наблюдатель начал движение, его сопутствующая инерциальная система отсчета (ИСО) движется с некоторой скоростью относительно прежней. Для него источник света изменил свою скорость как раз на эту величину!
Кажется странным, что, как только некто начал двигаться, в его новой системе отсчета все звезды Вселенной приобрели такую же добавочную скорость. Но ведь так оно и есть, хотя «здравый смысл» противится! В чем и состоит трудность понимания аберрации.
Взгляните на рисунки. Пусть звезда (для простоты) покоится в ИСО наблюдателя. Значит, он видит звезду на направлении ее действительного положения теперь.
Второй наблюдатель движется вправо относительно первого. В его сопутствующей ИСО, наоборот, звезда движется влево.
Ее действительное положение то же самое. Но миллион лет назад она находилась в смещенной точке! Оттуда пришел свет, что он и наблюдает.
Абсолютное движение?
Разве смещение положения звезд не позволяет обнаружить абсолютное движение наблюдателя? Конечно, нет. По смещению направления визирования мы фиксируем смену сопутствующей системы отсчета, которая не лучше и не хуже прежней.
И, разумеется, аберрация никак не противоречит постоянству скорости света. СТО вовсе не устанавливает неизменность направления света! Выявить таким образом свою какую-то абсолютную скорость наблюдатель не может. Просто задумайтесь: если бы Земля двигалась не по замкнутой орбите, а всегда строго прямолинейно – можно ли было бы зафиксировать звездную аберрацию?
Расчет по СТО вносит некоторые поправки второго порядка, но они незначительны.
Кстати, причем тут СТО?
Причина аберрации дается вроде бы простым рассуждением в духе школьной кинематики. Но, говоря честно, в нем «закопана» СТО.
Мы приняли само собой разумеющимся, что источник виден на направлении, откуда был испущена волна, достигшая нас теперь. Но, к примеру, для звука это совсем не так. Так что аберрация не вызвана эфирным ветром, а напротив, демонстрирует его отсутствие!
Только СТО с принципом относительности дает право подменить ситуацию с волнами – каплями дождя. Что изначально совсем не очевидно! Заявив, что аберрация имеет малое отношение к СТО, я слукавил.
А что там с волновым фронтом?
Как сказано ранее, он вроде бы не должен зависеть от движения наблюдателя...
Тут-то СТО и помогает разобраться. При переходе в другую ИСО – в старой системе время вдоль оси движения уже неодинаково, оно запаздывает в направлении движения этой ИСО (то есть назад). Если в исходной ИСО волновой фронт был параллелен движению, то в новой – наклонен (позади задержан, а впереди забегает вперед).
Что и соответствует наклону направления на звезду вперед по ходу движения.