Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 14 СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА. ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

14.13. Эффект Доплера для световых волн

В первой части мы рассмотрели явление Доплера для звука. Было показано, что частота принимаемых наблюдателем колебаний зависит от движения источника колебаний и от движения наблюдателя (приемника). Аналогичный эффект происходит и для световых волн, где изменение частоты приводит к изменению цвета. При этом наблюдается смещение спектральных линий в красную части спектра при движении источника от наблюдателя и к синей - при движении к него.

Однако между звуковым и световыми явлениями Доплера есть принципиальное отличие. Для звука было существенным, чтобы источник и приемник двигались относительно среды, в котором распространяются колебания (воздуха).

Для света, как показал опыт Майкельсона, движение источника или приемника относительно эфира не может быть обнаружен. Для света существенным является только относительное движение источника и наблюдателя, поскольку скорость света относительно любого источника является величиной постоянной.

Чтобы правильно определить формулу для светового эффекта Доп - лера, следует исходить из теории относительности. Поскольку здесь играет роль только относительная скорость источника и приемника, то следующей формуле есть:

где ν и ν' - частоты света, излучаемого источником и воспринимаемого приемником; υ - относительная скорость источника и приемника. Если υ « с, то формулу (14.27) можно упростить:

отсюда, пренебрегая членами второго порядка малости, получим

В формуле (14.29) знак «+» означает приближения источника к приемнику, тогда частота принимаемого света увеличится, длина волны уменьшится, линии в спектре будут смещаться к фиолетовой части. Знак «-» соответствует удалению источника от приемника, тогда частота принятого сигнала уменьшится, а длина волны увеличится, линии в спектре будут смещаться в красную части. Скорость тел, которые встречаются в природе, конечно очень малы по сравнению со скоростью света, поэтому явление Доплера для световых волн можно наблюдать лишь с помощью чувствительной спектральной аппаратуры.

Явление Доплера дает возможность определить скорость движения звезд за смещением линий в их спектре. Часто спектральные линии являются расширенными. Это может указывать на вращение звезды: противоположные края звезды движутся друг навстречу Земле, а второй - от нее, тогда как различные промежуточные точки диска звезды имеют любые составляющие скоростей по лучу зрения. Вследствие того, что в спектроскопия фиксируется суммарная картина, спектральная линия будет расширенной. Итак, исследование строения спектральных линий позволяют делать выводы о движение звезд, вращение их, а иногда обнаруживают сложное строение звездных систем (двойные звезды).

До сих пор речь шла о явлении Доплера, наблюдаемый при приближении или удалении источника света и приемника (продольный эффект Доплера). Однако из теории относительности вытекает необходимость существования так называемого поперечного эффекта Доплера, который должен наблюдаться при движении источника в направлении, перпендикулярном к линии, соединяющей источник света с наблюдателем. Такой эффект наблюдается, например, при движении источника по кругу, в центре которого находится приемник.

Существование поперечного эффекта Доплера было экспериментально подтверждено 1938 г. во время наблюдения свечения в каналових лучей, что приводит к расширение спектральных линий вследствие движения атомов и молекул.