Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 11

РИС. 3.9. Вид из носового иллюминатора космического корабля. При путешествии к Полярной звезде (к Северному полюсу мира) звёздное небо выглядит иначе, чем с Земли. По мере приближения к скорости света все звёзды как бы скучиваются к Полярной звезде. (На основе расчётов Дж. Д. Скотта и Г. Дж. ван Дрила.)

Представьте себе космический корабль, снабженный тремя большими иллюминаторами: одним носовым, одним кормовым и одним бортовым (рис. 3.8). Корабль этот может летать с колоссальной скоростью, а через каждый из его иллюминаторов видна ровно половина небесной сферы. Пусть ваш путь лежит в направлении Полярной звезды - в сторону Северного полюса мира. На рис. 3.9 изображено, что будет видно при этом в носовой иллюминатор. Пока корабль неподвижен (V = 0), вид созвездий будет таким же, как с Земли. Когда скорость корабля будет равна половине скорости света (F = 0,5с), вид неба уже существенно изменяется. Звезды как бы группируются вокруг Полярной звезды, и в поле зрения появляются даже некоторые из южных созвездий. При скорости, равной 90% скорости света, вид неба настолько сильно исказится, что перед космическим кораблем появится даже созвездие Южного Креста. Изображения звёзд скучиваются в точности в том направлении, куда вы летите. В результате перед космическим кораблем начинает сверкать яркий звездообразный объект. А если бы вам удалось достичь скорости света, то все звёзды и галактики оказались бы прямо по курсу космического корабля, и вы мчались бы к ослепительно яркому объекту, единственному на всем абсолютно чёрном небе.

РИС. 3.10. Вид из кормового иллюминатора космического корабля. Когда корабль летит к Полярной звезде и его скорость приближается к скорости света, космонавт замечает, что в кормовой иллюминатор видно очень мало звёзд. (На основе расчётов Дж. Д. Скотта и Г. Дж. ван Дрила.)

На рис. 3.10 показан вид неба через кормовой иллюминатор космического корабля. При V= 0 картина не будет искажена. По мере приближения к скорости света будет видно всё меньше и меньше звёзд. Изображения звёзд исчезают из поля зрения, перемещаясь по направлению к Полярной звезде. Конечно, звёзды, исчезающие из поля зрения кормового иллюминатора, появляются в поле зрения носового иллюминатора.

Лучше всего наблюдать эту «миграцию» звёзд в направлении движения космического корабля из его бортового иллюминатора (рис. 3.11). Обратите, в частности, внимание на то, как перемещается Южный Крест по полю зрения в направлении Полярной звезды по мере того, как корабль наращивает скорость в этом же направлении.

РИС. 3.11. Вид из бокового иллюминатора космического корабля. По мере увеличения скорости все звёзды неба скучиваются к Полярной звезде, в направлении которой летит корабль. (На основе расчётов Дж. Д. Скотта и Г. Дж. ван Дрила.)

Хотя для того, чтобы построить звёздные карты, показанные рис. 3.9 - 3.11, необходимы сложные вычисления, в их основе лежит повседневный опыт. Представьте себе, что вы едете по шоссе со скоростью 90 км/ч во время дождя. Если даже ветра нет и капли падают строго вертикально, ветровое стекло машины будет мокрым, а заднее стекло останется практически сухим. При этом пассажирам движущегося автомобиля кажется, что капли дождя налетают спереди. Точно так же при полёте с субсветовой скоростью будет создаваться впечатление, что потоки звёздного света падают на носовой иллюминатор космического корабля, как будто звёзды со всего неба собрались перед кораблем. И если когда-нибудь космонавты покинут Солнечную систему со скоростью, очень близкой к скорости света, они тем не менее будут видеть Солнце в носовой иллюминатор космического корабля. А если они отправятся в межгалактический полёт, то будут видеть перед собой нашу Галактику. Правда, при этом изображения Солнца и Галактики будут очень сильно искажены.

Но движение наблюдателя сказывается не только на положении звёзд на небе, оно влияет также и на их цвет. Чтобы понять, почему это происходит, снова обратимся к повседневному опыту. Представьте себе, что вы стоите у края шоссе, а мимо проносится машина скорой помощи с включенной сиреной (рис. 3.12). Пока она приближается к вам, тон сирены кажется высоким, так как звуковые волны, испускаемые ею, «сгущаются» перед машиной. Но когда автомобиль начнет удаляться от вас, тон сирены значительно понижается. Позади автомобиля звуковые волны идут реже (рис. 3.12). Это явление называется эффектом Доплера.

рис 3.12. Эффект Доплера. Звук сирены приближающейся машины скорой помощи кажется всё более высоким, так как звуковые волны от неё сгущаются. Напротив, звук становится намного ниже, когда автомобиль удаляется, потому что звуковые волны идут реже.

РИС 3.13 Эффект Доплера. Свет от приближающегося источника Испытывает фиолетовое смещение из-за сгущения световых волн, а от удаляющегося источника - красное смещение из-за их разрежения.

Эффект Доплера свойствен и свету. На рис. 3.13 показано, что световые волны приближающегося к вам источника света как бы нагоняют друг друга, поэтому кажется, что частота этого света выше (а длина волны короче), чем обычно. Из всех цветов радуги фиолетовый цвет обладает самой короткой длиной волны. Поэтому говорят о фиолетовом смещении света приближающегося к наблюдателю источника. Напротив, если источник света удаляется, то волны света идут реже, и частота света кажется ниже (а длина волны больше), чем обычно. Самой большой длиной волны из всех цветов радуги обладают красные фотоны, и поэтому говорят о красном смещении света удаляющегося от наблюдателя источника.

Точное значение сдвига длины волны находится в прямой зависимости от относительной скорости источника и наблюдателя. Когда скорость мала, сдвиг незначителен, но если скорость очень велика, то сдвиг может быть чрезвычайно большим. Представьте себе, например, что вы приближаетесь к обычной электрической лампочке со скоростью, равной 99,99% скорости света. При такой колоссальной скорости сдвиг в сторону коротких волн настолько велик, что от лампочки к вам будут приходить рентгеновские лучи. Если же удаляться от обычной лампочки со скоростью, равной 99,99% скорости света, то к вам придут лишь радиоволны. В обоих случаях, хотя лампочка излучает видимый свет, её нельзя увидеть простым глазом.

Важно осознать, что, хотя длина волны или цвет приходящего от источника света зависят от относительной скорости источника и наблюдателя, сама скорость света всегда остаётся одной и той же. Если измерять скорость света, приходящего от приближающегося или удаляющегося источника, результат будет всегда один и тот же: 300000 км/с.

Если теперь вернуться к наблюдению неба в иллюминатор космического корабля, то нетрудно понять, что из-за эффекта Доплера цвет звёзд будет сильно меняться. Свет звёзд, наблюдаемых впереди корабля, будет испытывать фиолетовое смещение, так как они приближаются к наблюдателю. Напротив, свет звёзд, видимых в кормовой иллюминатор, будет подвержен красному смещению, так как они удаляются от космического корабля. Но такая картина будет наблюдаться лишь при сравнительно малых скоростях полёта. Если скорость космического корабля велика и составляет заметную долю скорости света, то начинает проявляться новый эффект.

Атомы, которые испускают видимый нами свет, подобны крошечным часам, а как мы уже знаем, движущиеся часы замедляют ход, причем замедление течения времени происходит независимо от направления движения. Отстают все часы: и приближающиеся и удаляющиеся. Значит, помимо эффекта Доплера частота света Движущихся атомов будет понижаться (а длина волны увеличиваться) просто вследствие замедления течения времени. Иными словами, одновременно, действуют два эффекта. Вдобавок к смещению, связанному с эффектом Доплера, замедление времени также вызывает некоторое красное смещение. Вклад замедления времени в сдвиг длины волн света меньше, чем вклад эффекта Доплера. Однако при субсветовых скоростях необходимо учитывать оба эффекта. На рис. 3.14 показано, в каких частях неба наблюдается красное, а в каких фиолетовое смещение при наблюдениях с космического корабля, летящего с субсветовой скоростью. По мере приближения к скорости света красное смещение, вызванное эффектом замедления течения времени, становится всё заметнее. В результате область неба, в которой наблюдается фиолетовое смещение, непрерывно сокращается.