Аберрация света. Об ошибке Пуанкаре, которую он не успел исправить

Представьте себе, что вы смотрите в зеркало и видите предметы, расположенные за спиной. Вы знаете, что видимые в зеркале предметы являются мнимыми изображениями действительных предметов. С мнимыми изображениями мы встречаемся в школе. Телескопы, микроскопы, лупа — все эти приборы основаны на использовании мнимого изображения.

Однако с мнимым изображением мы можем столкнуться и без приборов. Ночью, рассматривая на тёмном небе звезду, мы забываем, что свет от неё идёт к нам миллионы лет (см. рис. 3). За это время звезда успеет сместиться, и мы будем видеть её мнимое изображение (объект № 2 на рис. 3). Сама звезда в момент наблюдения невидима (объект № 1 на рис. 3), т. е. будет находиться в другом месте пространства.

Угол между направлением на видимое положение звезды (мнимое изображение) и направлением на её действительное положение называется углом аберрации. Он равен д = и — ц. Явление звёздной аберрации возникает только при наличии относительного движения между наблюдателем и наблюдаемым объектом.

Рис. 3. Иллюстрация явления звёздной аберрации света (из Википедии)

Система отсчёта светового источника. Рассмотрим явление аберрации подробнее. Пусть наблюдатель N движется относительно источника света S со скоростью V, как показано на рис. 4. В момент излучения светового импульса источником S наблюдатель будет находиться в точке N*.

В точке N световой импульс и наблюдатель встречаются. Из-за относительного движения этот наблюдатель будет воспринимать направление фронта световой волны искажённым, как на рис. 3. Там направление луча, испущенного из точки 1, будет восприниматься наблюдателем так, как будто свет испускается из точки 2 (рис. 3).

Воспринимаемый наблюдателем фронт (рис. 4) не будет перпендикулярен направлению SN. Наблюдаемый фронт будет перпендикулярен линии SN*. Видимое положение S* строится на продолжении лучей из точки N перпендикулярно наблюдаемому фронту волны (мнимое изображение!).

Это интересный и важный факт. Поскольку наблюдатель воспринимает фронт волны в искажённом виде (повёрнутым), он «достраивает» объект с его характеристиками, продолжая лучи перпендикулярно фронту.

Рис. 4. Аберрация света

V — скорость движения наблюдателя относительно источника; S* - мнимое изображение источника в момент приёма светового сигнала; S — действительное положение источника в тот же момент времени; R — кажущееся расстояние до источника в момент приёма сигнала; R0 — действительное расстояние между источником и наблюдателем в момент приёма сигнала наблюдателем, Т0 — время, за которое свет прошёл расстояние от момента излучения до момента приёма, д = И0 — И — угол аберрации Это не субъективный, а объективный факт. То же делает и измерительный прибор, связанный с наблюдателем.

Итак, наблюдатель имеет дело с двумя объектами: с действительным объектом (сущность) и с его мнимым изображением (явление). Это важное обстоятельство релятивисты обходят, хотя никак не могут обойтись без его использования (см. рис. 3). Действительное положение объекта описывается с помощью мгновенного отображения, а мнимое — с помощью достроенных световых лучей.

Замечание. 1) Расстояние R0 это расстояние, которое прошел световой импульс от источника к наблюдателю. Оно измеряется в момент приема наблюдателем светового сигнала t = tприема. 2) Расстояние R это расстояние, которое прошел бы световой луч при скорости относительного движения V = 0. Оно измеряется в момент времени излучения при t = tизлучения .

Но нам кажется, что свет прошел расстояние R. Обратите внимание, как иллюзия подменяет истинную картину! Подобная иллюзия возникает, когда мы рассматриваем звездное небо. Нам опять кажется, что небо со звездами вращается вокруг Земли, хотя на самом деле Земля вращается вокруг своей оси, а пространство со звездами неподвижно. Реклама ТВ справедливо советует: «Почувствуйте разницу!». Если это вы не почувствовали, вам трудно будет понять дальнейшее содержание статьи Расстояние R это явление, которое мы наблюдаем. Оно зависит от условия (от скорости относительного движения). При одном и том же пути R₀, пройденном световым импульсом, кажущееся расстояние R будет различным для разных относительных скоростей движения наблюдателя относительно источника или источника относительно наблюдателя.

Итак, мы видим мнимое изображение S*, которое передают световые лучи. Действительное положение звезды не видно наблюдателю, но мгновенное отображение показывает его действительное, истинное положение S.

Система отсчёта наблюдателя. Здесь возникает интереснейшая ситуация. Как мы установили в Главе 1, время едино во всех инерциальных системах отсчёта, а пространство является общим. В таком случае, мы можем воспользоваться преобразованием Галилея.

При преобразовании Галилея величины, обозначенные на рис. 4 (R, R0, T0, V и углы), сохраняются неизменными. Меняется лишь направление вектора скорости V. Это позволяет нам воспроизвести тот же рис. 4, повернув его на 180 градусов и сменив обозначения.

Рис. 5. Явления, происходящие в системе отсчёта наблюдателя (преобразование Лоренца)

Свет от источника S*, идущий под углом И к оси x, будет распространяться к наблюдателю конечное время. За время этого распространения Т0 источник переместится со скоростью V в новое положение S. Таким образом, в момент приёма светового сигнала источник будет находиться уже в другом месте по отношению к видимому исследователем положению. Заметим, что наличие действительного положения объекта и наблюдаемого положения объекта отрицается релятивистами [4].

Замечание-повторение. 1) Расстояние R0 это расстояние, которое прошел световой импульс от источника к наблюдателю. Оно измеряется в момент приема наблюдателем светового сигнала при t = tприема. 2) Расстояние R это расстояние, которое прошел бы световой, если бы скорость относительного движения V = 0. Оно измеряется в момент времени излучения при t = tизлучения .

Обсуждение. Вот мы и столкнулись с удивительными фактами:

В рамках классических пространственно-временных представлений расстояние, проходимое светом от источника S до наблюдателя N, равное R0, и время прохождения этого расстояния T0 не зависят от выбора системы отсчёта. Следовательно, скорость света с = R0/T0 в этих инерциальных системах отсчёта постоянна!

Итак, инерциальные системы отсчёта равноправны, поэтому и скорость света не зависит от выбора системы отсчёта. Постулат Эйнштейна излишен. Похоже, физики-релятивисты «проморгали» интересный результат! Теперь нам необходимо дать ему математическое обоснование.