Опыт де Ситтера с двойной звездой

Опыт де Ситтера с двойной звездой был описан Виллемом де Ситтером в 1913 г.^[1][2][3][4] (а также Дэниелом Фростом Комстоком в 1910 году^[5]) и использовался для подтверждения специальной теории относительности в противовес конкурирующей баллистической теории Вальтера Ритца, которая постулировала переменную скорость света. Де Ситтер показал, что теория Ритца предсказывала, что орбиты двойных звезд будут казаться более эксцентричными, чем те которые согласуются с экспериментом и законами механики, однако экспериментальный результат был отрицательным. Это подтвердил Брехер в 1977 году, наблюдая спектр рентгеновских лучей^[6]. О других экспериментах, связанных со специальной теорией относительности, см. Тесты специальной теории относительности.

Аргумент Виллема де Ситтера против баллистической теории. Согласно простой баллистической теории, свет движется со скоростью с по отношению к излучающему объекту. Если бы это было правдой, свет, испускаемый звездой в двойной звёздной системе с разных частей орбитального пути, двигался бы к нам с разной скоростью. Для определенных комбинаций орбитальной скорости, расстояния и наклонения «быстрый» свет, излучаемый во время сближения, будет догонять «медленный» свет, излучаемый во время удаляющейся части орбиты звезды. Таким образом, законы движения Кеплера очевидно будут нарушены для удалённого наблюдателя. Будет замечено много причудливых эффектов, в том числе (а) как показано, кривые блеска переменных звёзд необычной формы, которых никогда не видели, (б) экстремальные доплеровские красные и синие смещения в фазе с кривыми блеска, подразумевающие сильно некеплеровскую орбиты, (c) расщепление спектральных линий (обратите внимание на одновременный приход к цели света с синим и красным смещением) и (d) если двойная звёздная система разрешается в телескоп, периодическое расщепление звёздных изображений на несколько изображений^[7].

Согласно простой баллистической теории, свет, испускаемый объектом, должен двигаться со скоростью ${\displaystyle c}$ относительно излучающего объекта. Если нет усложняющих эффектов увлечения, можно было бы ожидать, что свет будет двигаться с той же скоростью, пока в конце концов не достигнет наблюдателя. Для объекта, движущегося прямо к наблюдателю (или от него) в ${\displaystyle v}$ метров в секунду, тогда можно было бы ожидать, что этот свет всё ещё будет двигаться со скоростью ${\displaystyle (c+v)}$ (или ${\displaystyle (c-v)}$) метров в секунду в то время, когда он дошёл до нас.

В 1913 году Виллем де Ситтер утверждал, что если бы это было правдой, то звезда, вращающаяся в двойной звёздной системе, обычно по отношению к нам поочередно двигалась бы к нам и удалялась от нас. Свет, испускаемый из разных частей орбитального пути, будет двигаться к нам с разной скоростью. Для ближайшей звезды с малой орбитальной скоростью (или чья плоскость орбиты была почти перпендикулярна нашему лучу зрения) это может просто сделать орбиту звезды неустойчивой, но при достаточном сочетании орбитальной скорости и расстояния (и наклонения) «быстрый» свет, излучаемый во время сближения, сможет догнать и даже перегнать «медленный» свет, излучаемый ранее во время удаляющейся части орбиты звезды, и звезда в полученном изображении будет скрыта. То есть законы движения Кеплера, по-видимому, нарушались бы для удалённого наблюдателя.

Де Ситтер провёл исследование двойных звёзд и не обнаружил случаев, когда расчётные орбиты звёзд казались некеплеровскими. Поскольку общая разница во времени полёта между «быстрыми» и «медленными» световыми сигналами, как ожидается, будет линейно масштабироваться с расстоянием в простой баллистической теории, и исследование (статистически) включало бы звёзды с разумным разбросом расстояний и орбитальных скоростей и ориентаций, де Ситтер пришёл к выводу, что эффект должен был бы наблюдаться, если бы модель была верна, а его отсутствие означет, что баллистическая теория почти наверняка ошибочна.

Комментарии

• Современные эксперименты типа де Ситтера опровергают идею о том, что свет может двигаться со скоростью, частично зависящей от скорости излучателя (c'=c + kv), где скорость излучателя v может быть положительной или отрицательной, а коэффициент k принимает значение от 0 до 1, обозначающий степень, в которой скорость света зависит от скорости источника. Де Ситтер установил верхний предел k < 0,002, но эффекты поглощения делают этот результат подозрительным^[8].
• Опыт Де Ситтера подвергся критике из-за эффекта поглощения со стороны Дж. Г. Фокса. То есть во время своего полёта к Земле световые лучи поглощались бы и переизлучались межзвёздным веществом, почти находящимся в покое относительно Земли, так что скорость света должна была бы стать постоянной относительно Земли, независимо от движения первоисточник(и)^[9].
• В 1977 году Кеннет Брехер опубликовал результаты аналогичного двойного исследования и пришел к аналогичному выводу: любые видимые отклонения в орбитах двойных звезд слишком малы, чтобы поддерживать баллистическую теорию. В отличие от де Ситтера, он наблюдал рентгеновский спектр, тем самым исключая возможные влияния эффекта поглощения. Он установил верхний предел ${\displaystyle k<2\times 10^{-9}}$^[6].
• Есть также земные эксперименты, которые говорят против таких теорий, см. Эксперименты по проверке баллистических теорий.

Источники