Aberracja światła – Wikipedia, wolna encyklopedia

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].

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

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

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^[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].

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 ${\displaystyle f_{0},}$ 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:

${\displaystyle \operatorname {tg} \theta ={\frac {\sin \alpha }{\gamma (\cos \alpha +\beta )}},}$

gdzie:

${\displaystyle \beta ={\frac {v}{c}},}$

${\displaystyle \alpha }$ – 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:

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

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.

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.

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.)

Zobacz galerię związaną z tematem: Aberracja światła

Zobacz hasło aberracja w Wikisłowniku

• A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski: Wstęp do fizyki. Wyd. 2. T. 1. Wydawnictwo Naukowe PWN, 1984. ISBN 83-01-01359-1.

• Jan Flis: Szkolny słownik geograficzny. Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1986, s. 21.