Эксперимент де Ситтера с двойной звездой

Эта статья о наблюдении двойных звезд. О прецессии вращающихся тел см. Прецессия де Ситтера .

Эффект де Ситтера был описан Виллемом де Ситтером в 1913 году. (а также Дэниелом Фростом Комстоком в 1910 г. ) и использовался для поддержки специальной теории относительности в противовес конкурирующей теории излучения Вальтера Ритца 1908 года , которая постулировала переменную скорость света, зависящую от скорости излучающего объекта. Де Ситтер показал, что теория Ритца предсказывала, что орбиты двойных звезд будут выглядеть более эксцентричными, чем это согласуется с экспериментом и законами механики . Однако результаты астрономических наблюдений этого не подтвердили. Это было подтверждено Кеннетом Бречером в 1977 году путем наблюдения спектра рентгеновских лучей . Чтобы узнать о других экспериментах, связанных со специальной теорией относительности, см. « Тесты специальной теории относительности» .

Эффект

Аргумент Виллема де Ситтера против теории эмиссии. Согласно простой теории излучения, свет движется со скоростью c относительно излучающего объекта. Если бы это было правдой, свет, излучаемый звездой двойной звездной системы из разных частей орбитального пути, двигался бы к нам с разными скоростями. При определенных сочетаниях орбитальной скорости, расстояния и наклонения «быстрый» свет, излучаемый во время сближения, будет обгонять «медленный» свет, излучаемый во время спадающей части орбиты звезды. Таким образом, законы движения Кеплера , очевидно, будут нарушены для удаленного наблюдателя. Можно было бы наблюдать множество причудливых эффектов, в том числе (а) как показано на рисунке, кривые блеска переменных звезд необычной формы, никогда ранее не наблюдавшиеся, (б) экстремальные доплеровские красные и синие смещения, совпадающие по фазе с кривыми блеска, подразумевающие в высшей степени некеплеровские кривые блеска. орбиты, (в) расщепление спектральных линий (обратите внимание на одновременное приход к цели синего и красного смещенного света) и (г) если двойная звездная система разрешима в телескоп, периодическое разрушение звездных изображений на несколько изображений.

Согласно простой теории излучения , свет , испускаемый объектом, должен двигаться со скоростью $c$ относительно излучающего объекта. Если бы не было никаких усложняющих эффектов перетаскивания , можно было бы ожидать, что свет будет двигаться с той же скоростью, пока в конечном итоге не достигнет наблюдателя. Для объекта, движущегося прямо к наблюдателю (или от него) в точке $v$тогда можно было бы ожидать, что этот свет все еще будет двигаться со скоростью $(c+v)$ ( или $(c-v)$ ) в то время, когда оно дошло до нас.

В 1913 году Виллем де Ситтер утверждал, что, если бы это было правдой, звезда, вращающаяся в двойной звездной системе, обычно по отношению к нам попеременно двигалась бы то к нам, то от нас. Свет, излучаемый из разных частей орбитальной траектории, будет двигаться к нам с разной скоростью. Для близлежащей звезды с небольшой орбитальной скоростью (или чья орбитальная плоскость была почти перпендикулярна нашему лучу зрения) это могло бы просто сделать орбиту звезды неустойчивой, но для достаточного сочетания орбитальной скорости и расстояния (и наклонения) «Быстрый» свет, излучаемый во время сближения, сможет догнать и даже обогнать «медленный» свет, излучаемый ранее во время спадающей части орбиты звезды, и звезда будет представлять собой зашифрованное и не последовательность изображений. То есть законы движения Кеплера, по-видимому, нарушались бы для удаленного наблюдателя.

Де Ситтер исследовал двойные звезды и не обнаружил ни одного случая, когда вычисленные орбиты звезд оказались бы некеплеровскими. Поскольку в простой теории излучения можно было бы ожидать, что общая разница во времени полета между «быстрыми» и «медленными» световыми сигналами будет линейно масштабироваться с расстоянием, и исследование (статистически) включало бы звезды с разумным разбросом расстояний, орбитальных скоростей и ориентаций. Де Ситтер пришел к выводу, что эффект должен был быть виден, если бы модель была правильной, а его отсутствие означало, что теория излучения почти наверняка ошибочна.

Примечания

• Современные эксперименты типа де Ситтера опровергают идею о том, что свет может распространяться со скоростью, которая частично зависит от скорости эмиттера ( c'=c + kv ), где скорость эмиттера v может быть положительной или отрицательной, k а коэффициент от 0 до 1, обозначающий степень, в которой скорость света зависит от скорости источника. Де Ситтер установил верхний предел k <0,002, но эффекты угасания делают этот результат подозрительным.
• Эксперимент Де Ситтера подвергся критике со из-за эффектов угасания стороны Дж. Г. Фокса . То есть во время полета к Земле световые лучи поглощались и переизлучались межзвездной материей, почти покоящейся относительно Земли, так что скорость света должна была стать постоянной относительно Земли, независимо от движения звезды. первоисточник(ы).
• В 1977 году Кеннет Бречер опубликовал результаты аналогичного двойного исследования и пришел к аналогичному выводу: любые очевидные нарушения орбит двойных звезд слишком малы, чтобы поддержать теорию излучения. Вопреки данным, приведенным де Ситтером, Брехер наблюдал рентгеновский спектр, исключив тем самым возможное влияние эффекта экстинкции. Он установил верхний предел $k<2\times 10^{-9}$.
• Есть также наземные эксперименты, которые говорят против таких теорий, см. эксперименты по проверке теорий выбросов .