Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels - это трактат Кристиана Доплера (1842 г.) [1], в котором он постулировал свой принцип, согласно которому наблюдаемая частота изменяется при движении источника или наблюдателя, который позже был придуман. эффект Доплера . Оригинальный немецкий текст можно найти в Викитеке. Следующее аннотированное резюме служит дополнением к оригиналу.
Резюме
Название « Über дас Farbige Licht дер Doppelsterne унд einiger anderer Gestirne де Himmels - Versuch етег дас Bradley'sche Аберрации-теорема ALS integrirenden Theil в Сечь schliessenden allgemeineren Теорье » (На цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд на небе - Попытка общей теории, включая теорему Брэдли в качестве неотъемлемой части) определяет цель: описать гипотезу эффекта Доплера, использовать ее для объяснения цвета двойных звезд и установить связь со звездной аберрацией Брэдли. [2]
§ 1 Введение, в котором Доплер напоминает читателям, что свет - это волна, и что ведутся споры о том, является ли это поперечной волной , когда частицы эфира колеблются перпендикулярно направлению распространения. Сторонники утверждают, что это необходимо для объяснения поляризованного света, в то время как противники возражают против его последствий для эфира . Доплер не выбирает сторону, хотя вопрос возвращается в § 6.
§ 2 Доплер отмечает, что цвет является проявлением частоты световой волны в глазах смотрящего. Он описывает свой принцип, согласно которому частотный сдвиг происходит при движении источника или наблюдателя. Корабль встречает волны быстрее, когда плывет против них, чем когда плывет вместе с ними. То же касается звука и света.
§ 3 Доплер выводит свои уравнения для сдвига частоты в двух случаях:
Уравнение Доплера [3] | Современное уравнение | ||
1. | О BSERVER приближении стационарного источника со скоростью об O | п / х = (а + а о ) / а | f '/ f = (c + v o ) / c |
2. | S сходный код приближается неподвижного наблюдателя со скоростью v с | п / х = а / (а - α s ) | f '/ f = c / (cv s ) |
§ 4 Допплер дает воображаемые примеры больших и малых частотных сдвигов для звука:
v o = -c | f '= 0 | сдвиг частоты до неслышно низких тонов |
v s = -c | f '/ f = 0,5 | сдвиг частоты ниже на 1 октаву, все еще слышно. |
v o = + c | f '/ f = ∞ | сдвиг частоты до неслышно высоких тонов [4] |
v o = 40 м / с [5] | От C до D | примечание C меняется на D. |
v o = 5,4 м / с | четвертная нота | порог для лучших наблюдателей с абсолютным слухом [6] |
В § 5 Доплер дает воображаемые примеры больших и малых частотных сдвигов для света от звезд. Скорости выражаются в мейленах / с, а скорость света имеет округленное значение 42000 мейленов / с. [7] Доплер предполагает, что 458 ТГц (крайний красный) и 727 ТГц (крайний фиолетовый) являются границами видимого спектра, [8] что спектр, излучаемый звездами, лежит точно между этими границами (за исключением инфракрасных звезд из § 8. ), и что цвет света, излучаемого звездами, белый. [9]
Мейлен / с | км / с | f '/ f | |
v s = -19000 [8] | 141000 | 458/727 | переход от ярко-фиолетового к ярко-красному и от других цветов к невидимому диапазону за пределами ярко-красного [10] |
v s = -5007 [8] | 37200 | 458 /? | переход от желтого к очень красному |
v s = -1700 | 12600 | 458 /? | переход от красного к очень красному |
v s = -33 | 244 | 458 / 458,37 | порог визуального восприятия изменения цвета [11] переход от оттенка красного к следующему оттенку красного |
§ 6 Доплер резюмирует:
- Естественный цвет звезд - белый или бледно-желтый.
- Белая звезда, приближающаяся с прогрессивной скоростью, последовательно превращалась бы в зеленую, синюю, фиолетовую и невидимую (ультрафиолетовую).
- Белая звезда, удаляющаяся с прогрессирующей скоростью, станет желтой, оранжевой, красной и невидимой (инфракрасной).
Доплер желает, чтобы его теория сдвига частоты вскоре была проверена другим методом для определения лучевой скорости звезд. Он без всяких оснований считает, что подтверждение его теории означало бы, что свет - это не поперечная, а продольная волна. [12]
§ 7 Доплер утверждает, что его теория применима в основном к двойным звездам. По его мнению, неподвижные звезды [13] неподвижны и белые. [14] В двойной звезде высокие скорости могут быть возможны из-за орбитального движения, [15] [16] и двойные звезды кажутся красочными. [17] Доплер делит двойные системы на две группы: (1) двойные звезды неравной яркости; и (2) двойные звезды равной яркости. Его интерпретация такова: в случае (1) более яркая звезда более тяжелая, более слабая звезда вращается вокруг него; в случае (2) обе звезды вращаются вокруг центра масс в середине или вокруг темной третьей звезды. В случае (2) цвета обычно дополняют друг друга. Доплер исключает, что богатые дополнительные цвета двойных звезд являются контрастными иллюзиями, потому что астроном сказал, что наблюдал, что покрытие одной звезды не меняет цветового восприятия другой звезды. Доплер утверждает, что его теория подтверждается тем фактом, что для многих двойных звезд цветовая индикация в каталоге Струве отличается от цветовой индикации в более старом каталоге Гершеля, приписывая это различие прогрессу орбитального движения. [18]
В § 8 Доплер представляет две группы переменных звезд, которые, по его мнению, можно объяснить как двойные звезды с эффектом Доплера. Это «другие звезды на небесах» из названия.
- Периодические переменные звезды, которые невидимы большую часть времени и которые на короткое время светлеют красным цветом один раз за цикл. По мнению Доплера, это двойные звезды. Такая звезда обычно невидима, потому что излучает инфракрасный, а не белый свет. На участке орбиты с максимальной радиальной скоростью в направлении Земли наблюдаемая частота на Земле смещается от инфракрасного к видимому красному.
- «Новые звезды» (в частности, две сверхновые , Нова Тихо 1572 года и Нова Кеплера 1604 года), которые внезапно появились, имевшие белый цвет в самой яркой фазе, затем изменившийся на желтый и красный и, наконец, исчезнувший. Согласно Допплеру, они тоже двойные звезды с чрезвычайно высокой скоростью и длительным периодом. [19] Доплер предполагает, что Сириус, самая яркая звезда на небе, принадлежит к этой группе, потому что в некоторых древних текстах говорится, что ее цвет был красным, а не нынешним белым. [20]
§ 9 Доплер отмечает, что орбитальная скорость Земли (4,7 Мейлен / с) слишком мала (<33 Мейлен / с), чтобы приводить к визуально заметным изменениям цвета. Он выделяет два фактора, которые могут привести к высокой орбитальной скорости двойной звезды:
- Центральная звезда намного тяжелее Солнца. Согласно доплеровской версии, звезды, которые в миллион раз тяжелее Солнца, правдоподобны. [21]
- Сильноэллиптическая орбита с небольшим перигелием [22] (<1 а.е. ).
Доплер предполагает, что существуют двойные звезды, скорость перигелия которых превышает скорость света. Астроном Литтроу предположил бы, что скорость перигелия визуальной двойной звезды γ Дева почти равна скорости света.
§ 10 Доплер резюмирует вышесказанное и приходит к выводу, что его рассуждения объясняют так много, что его теория должна быть верной. Он делится еще несколькими предположениями:
- Цвета двойных звезд не статичны, они будут периодически меняться синхронно с орбитальным движением.
- Звезды из § 8, которые внезапно (всего через несколько часов) появляются, затем постепенно гаснут и остаются невидимыми в течение многих лет, являются двойными звездами с сильно эллиптической орбитой и высокой скоростью перигелия. Если Земля видит орбиту под наклоном, такая звезда может появиться быстрее, чем исчезнет.
- Колебания периода переменных звезд, таких как Мира (согласно Допплеру, его период колеблется от 328 до 335 дней), являются результатом орбитального движения Земли.
§ 11 Заключение: Доплер ожидает, что его теория частотного сдвига будет принята, потому что подобные аберрации, которые зависят от v / c (Rømer и Bradley) [23] , были приняты раньше. Доплер ждет, пока эксперты решат, будут ли его предположения служить доказательствами. Он уверен, что в конечном итоге его принцип будет использован для определения скорости удаленных звезд. [24]
Заметки
- ^ Некоторые источники упоминают 1843 год как год публикации, потому что в этом году статья была опубликована в Proceedings of the Bohemian Society of Sciences . Сам Доплер называл эту публикацию «Prag 1842 bei Borrosch und André», потому что в 1842 году у него было напечатано предварительное издание, которое он распространял независимо.
- ↑ В 1728 году Брэдли открыл и объяснил так называемую аберрацию звездного света . Эта аберрация была одним из первых убедительных доказательств конечной скорости света во Вселенной. Конечное значение в данном случае: хоть и велико, но не слишком велико по сравнению с орбитальной скоростью Земли. Аберрация Брэдли приблизительно пропорциональна v / c, отношению скорости Земли к скорости света. Эффект Доплера содержит аналогичную пропорциональность v / c.
- ^ Доплер использует другие символы для переменных, чем мы обычно делаем сегодня: f = 1 / n, f '= 1 / x, v o = α o , v s = α s . (Обратите внимание, что n = n "и x = x", так как число секунд = время).
- ^ не слышно, за исключением ударной волны, игнорируемой Допплером.
- ^ 1 пар. Fuss = 0,325 м ( pied de roi ); скорость звука 1024 пар. суеты / с = 333 м / с
- ↑ В 1845 году Байс Баллот использовал эту идею музыкантов с абсолютным слухом для первой экспериментальной проверки эффекта Доплера.
- ^ Meile = geografische Meile = 7420 м. Допплер дает округленное значение 42000 Мейлен / с вместо наилучшего точного значения своего времени. Округленное значение было хорошо известно и стабильно на протяжении многих лет, тогда как точное значение менялось из-за частых новых измерений. С 1835 г. точное значение составляло 41549 геогр. Meilen / s (308000 км / с), см Universallexikon Пирер в и экспериментальной физики Wüllner в
- ^ a b c Частоты 458 ТГц (крайний красный) и 727 ТГц (крайний фиолетовый) и другие цвета, по-видимому, были получены из длин волн, упомянутых Томасом Янгом в его Теории света и цвета (1802 г.) , где Доплер использовал бы 309000 км / с как скорость света. Это объясняет большинство значений в таблице, за исключением значений v s 19000 и 5007, которые остаются ошибками вычислений по Допплеру (отклонение около 25%).
Цвет Длина волны
по Юнгу
(нм)Частота,
если c = 309000 км / с
(ТГц)v s = c (1-f / f '),
если c = 309000 км / с
(геогр. Мейлен / с)v s
по Допплеру
(геогр. Meilen / s)крайний фиолетовый 425 727 -24462 -19000 (ошибка) желтый 577 535 -7037 -5007 (ошибка) красный 648 477 -1704 -1700 крайний красный 675 458 0 0 - ^ Эти предположения неверны. Доплер игнорирует излучаемые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, хотя их присутствие в солнечном свете было известно со времен исследований Гершеля (1800) и Риттера (1801). В результате Доплер переоценивает визуальные изменения цвета. Он знал, что звезды могут излучать инфракрасное излучение, как он предлагает это в § 8. Что касается цветов звезд, предположение, что звезды излучают белый свет, является его главной ошибкой. Сегодня мы знаем, что цвет в основном зависит от температуры звезды.
- ^ Доплер использует старый термин однородный свет для монохроматического света.
- ^ Вывод порогового значения 458,37: Гершель заявил, что белый свет, полученный путем смешивания красного, желтого и синего света, претерпевает визуально заметное изменение цвета, если интенсивность любого из этих трех компонентов изменяется не менее чем на 1%. Согласно Допплеру это означает, что белый звездный свет претерпевает заметное изменение цвета, если частотный сдвиг составляет не менее 1% от красного сегмента спектра. Используя определение Юнга для красного сегмента (длина волны 625–675 нм, Теория света и цвета, см. Выше) и c = 309000 км / с (см. Выше), красный сегмент соответствует частотному диапазону 458–495 ТГц. Значение в этом сегменте на расстоянии 1% от границы составляет 458,37 ТГц.
- ^ Больцано в своем обзоре 1843 года указывает, что мысль Доплера о неприменимости его теории к поперечным волнам является ошибкой. Annalen der Physik 1843 г.
- ^ В статье Доплера «неподвижные звезды» - это одиночные звезды, которые не являются частью двойной звезды. Идея их неподвижности унаследована от древних времен, когда идеальные неподвижные звезды противопоставлялись планетам.
- ^ Больцано утверждает в своем обзоре 1843 года, что идея неподвижности одиночных звезд не нужна и что наблюдаемое собственное движение многих звезд указывает на то, что одиночные звезды действительно движутся. Annalen der Physik 1843 г.
- ^ Позже выяснилось, что орбитальная скорость двойных звезд не особенно велика по сравнению соскоростью собственного движения звезд. В затменных двойных системах наблюдаются скорости до 200 км / с. Исключение составляет самая быстрая двойная звезда, редкий тип двух белых карликов, с периодом 5 минут, диаметром орбиты 80000 км и орбитальной скоростью более 1000 км / с. RX J0806.3 + 1527
- ^ В настоящее время максимальная радиальная скорость ближайших одиночных звезд составляет около 300 км / с. ( Эффект Доплера # Astronomy LHS 52 )
- ^ Имея несколько известных фактов, Доплер мог легко оценить, что орбитальная скорость визуальных двойных звезд, которые кажутся красочными, меньше орбитальной скорости Земли. Расстояние от Земли до звезд не менее 4 световых лет (то есть до ближайшей звезды). Традиционный телескоп на уровне моря имеет разрешающую способность 1 угловая секунда или хуже из-за атмосферной турбулентности. Следовательно, две звезды, составляющие визуальную двойную систему, находятся на расстоянии не менее 1 астрономической единицы. Самый короткий период визуального двоичного файла - 1,7 года. Следовательно, орбитальная скорость визуальных двойных систем (с круговой орбитой) меньше, чем у Земли, ниже порога для визуальных изменений цвета (см. § 9). Это еще один недостаток в объяснении Допплером цветов визуальных двоичных файлов.
- ^ Дополнительным мотивом для Доплера сосредоточить внимание на двойных звездах могло быть то, что двойные звезды были горячей темой в астрономии. Точные каталоги двойных звезд составили Гершель и Струве. Было обнаружено, что двойные звезды не статичны, а вращаются по орбите вокруг центра, ограниченные силой тяжести. Определены параметры орбиты (скорость, период и эксцентриситет). Стало ясно, что визуально одиночные переменные звезды с определенным развитием яркости на самом деле являются двойными звездами ( затмевающими двойными , такими как Алгол).
- ^ Поэтому Доплер ожидает, что сверхновые вспыхивают периодически.
- ^ Для получения дополнительной информации см. Полемику с Сириусом Рэдом . Эта идея означала, что Сириус будет двойной звездой с чрезвычайно длинным периодом и высокой скоростью. Это неверно: хотя Сириус на самом деле является двойной звездой (как было обнаружено в 1844 году), у нее нет высокой скорости.
- ^ Теперь мы знаем, что самые тяжелые звезды в 100 раз тяжелее Солнца, но черная дыра может быть в миллион раз тяжелее Солнца. См. Солнечную массу .
- ^ В случае двойных звезд перигелий должен называться периастроном.
- ^ Предположение Доплера о том, что его теория включает аберрацию Брэдли, является преувеличением. Однако он мог утверждать, что его теория охватывалааберрацию Оле Рёмера (среди астрономов столь же известную) вращения спутника Юпитера Ио , которую Рёмер использовал в 1676 году для определения конечной скорости света. Эта аберрация точно определяется выражением f '/ f = (c + v o ) / c, где f' и f - кажущаяся и фактическая частота вращения. Кроме того, это показывает, что эффект Доплера применим не только к частоте колебаний волны.
- ^ В свое время Доплер мог бы подумать об измерении сдвига спектральных линий звезд, хотя он этого не сделал. В 1815 году Фраунгофер наблюдал темные линии в спектрах Солнца и Сириуса. Он предположил, что каждая звезда имеет уникальный линейчатый спектр. Через несколько лет он измерил длину волны этих линий с помощью решетки. В 1823 году Уильям Гершель предположил, что химический состав звезд можно определить по их спектру. В 1848 г. Физо указал на возможность измерения сдвига спектральных линий в спектрах звезд. Но до прорыва в работах Кирхгофа и Бунзена в 1859 году спектроскопия оставалась сложным методом, позволяющим получать сложные и довольно бесполезные спектры. В 1868 году Хаггинс обнаружил красное смещение в спектре Сириуса и вычислил скорость. В 1871 году Фогелю удалось измерить сдвиг спектральных линий на краях Солнца, и он использовал это для вычисления скорости вращения Солнца. В том же году Талбот указал на возможность открытия спектрально-двойных звезд посредством периодического удвоения спектральных линий, а в 1889 году это впервые наблюдал Пикеринг у звезды Мицар А. Увидеть рост астрофизики
Смотрите также
- Полный текст на archive.org .
- Abhandlundgen von Christian Doppler, herausgegeben von HA Lorentz (1907) . В последней главе Лоренц комментирует Über das farbige Licht .