Experimento de la doble estrella de De Sitter

El efecto de Sitter fue descrito por Willem de Sitter en 1913 ^{[1] [2] [3] [4]} (así como por Daniel Frost Comstock en 1910 ^[5] ) y se utilizó para apoyar la teoría especial de la relatividad frente a una competencia Teoría de la emisión de 1908 de Walther Ritz que postulaba una velocidad variable de la luz dependiente de la velocidad del objeto emisor. De Sitter demostró que la teoría de Ritz habría predicho que las órbitas de las estrellas binarias parecerían más excéntricas que consistentes con el experimento y con las leyes de la mecánica . Sin embargo, los resultados de las observaciones astronómicas no lo respaldaron. Esto fue confirmado por Kenneth Brecher en 1977 al observar el espectro de rayos X. ^[6] Para otros experimentos relacionados con la relatividad especial, consulte Pruebas de relatividad especial .

El efecto

El argumento de Willem de Sitter contra la teoría de las emisiones. Según la teoría de la emisión simple, la luz se mueve a una velocidad de c con respecto al objeto emisor. Si esto fuera cierto, la luz emitida por una estrella en un sistema de estrellas dobles desde diferentes partes de su trayectoria orbital viajaría hacia nosotros a diferentes velocidades. Para ciertas combinaciones de velocidad orbital, distancia e inclinación, la luz "rápida" emitida durante la aproximación superaría a la luz "lenta" emitida durante una parte de recesión de la órbita de la estrella. Así, las leyes del movimiento de Kepler aparentemente serían violadas por un observador distante. Se verían muchos efectos extraños, incluyendo (a) como se ilustra, curvas de luz estelares variables con formas inusuales como nunca se han visto, (b) desplazamientos Doppler extremos hacia el rojo y el azul en fase con las curvas de luz, lo que implica un efecto altamente no kepleriano. órbitas, (c) división de las líneas espectrales (obsérvese la llegada simultánea de luz desplazada al azul y al rojo al objetivo), y (d) si el sistema estelar binario se puede resolver con un telescopio, la división periódica de las imágenes estelares en múltiples imágenes. ^[7]

Según la teoría de la emisión simple , la luz emitida por un objeto debería moverse a una velocidad de respecto al objeto emisor. Si no hay efectos de arrastre complicados , se esperaría que la luz se moviera a la misma velocidad hasta que finalmente alcanzara a un observador. Para un objeto que se mueve directamente hacia (o alejándose) del observador en , se esperaría que esta luz todavía estuviera viajando en ( o ) en el momento en que nos alcanzó. ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle (c+v)}$ ${\displaystyle (c-v)}$

En 1913, Willem de Sitter argumentó que si esto fuera cierto, una estrella que orbita en un sistema de estrellas dobles normalmente, con respecto a nosotros, alternaría entre acercarse y alejarse de nosotros. La luz emitida desde diferentes partes de la trayectoria orbital viajaría hacia nosotros a diferentes velocidades. Para una estrella cercana con una velocidad orbital pequeña (o cuyo plano orbital era casi perpendicular a nuestra línea de visión), esto podría simplemente hacer que la órbita de la estrella parezca errática, pero para una combinación suficiente de velocidad orbital y distancia (e inclinación), el " La luz "rápida" emitida durante la aproximación podría alcanzar e incluso superar la luz "lenta" emitida anteriormente durante una parte de recesión de la órbita de la estrella, y la estrella presentaría una imagen codificada y fuera de secuencia. Es decir, las leyes del movimiento de Kepler aparentemente serían violadas por un observador distante.

De Sitter hizo un estudio de estrellas dobles y no encontró ningún caso en el que las órbitas calculadas de las estrellas parecieran no keplerianas. Dado que se esperaría que la diferencia total de tiempo de vuelo entre señales luminosas "rápidas" y "lentas" escalara linealmente con la distancia en la teoría de emisión simple, y el estudio (estadísticamente) habría incluido estrellas con una dispersión razonable de distancias y velocidades y orientaciones orbitales. , de Sitter concluyó que el efecto debería haberse visto si el modelo fuera correcto, y su ausencia significaba que la teoría de las emisiones era casi con certeza errónea.

Notas

• Los experimentos modernos del tipo de De Sitter refutan la idea de que la luz pueda viajar a una velocidad que dependa parcialmente de la velocidad del emisor ( c'=c + kv ), donde la velocidad del emisor v puede ser positiva o negativa, y k es un factor entre 0 y 1, que indica en qué medida la velocidad de la luz depende de la velocidad de la fuente. De Sitter estableció un límite superior de k < 0,002, pero los efectos de la extinción hacen que ese resultado sea sospechoso. ^[4]
• El experimento de De Sitter fue criticado por JG Fox debido a los efectos de extinción . Es decir, durante su vuelo a la Tierra, los rayos de luz habrían sido absorbidos y reemitidos por la materia interestelar casi en reposo con respecto a la Tierra, de modo que la velocidad de la luz debería volverse constante con respecto a la Tierra, independientemente del movimiento de la Tierra. fuente(s) original(es). ^[8]
• En 1977, Kenneth Brecher publicó los resultados de un doble estudio similar y llegó a una conclusión similar: que cualquier irregularidad aparente en las órbitas de las estrellas dobles era demasiado pequeña para respaldar la teoría de las emisiones. Contrariamente a los datos citados por De Sitter, Brecher observó el espectro de rayos X, eliminando así posibles influencias del efecto de extinción. Estableció un límite superior de . ^[6] ${\displaystyle k<2\times 10^{-9}}$
• También hay experimentos terrestres que hablan en contra de tales teorías, ver experimentos que prueban las teorías de emisiones .

Referencias

1. W. de Sitter, Ein astronomischer Beweis für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Archivado el 30 de noviembre de 2016 en Wayback Machine Physik. Zeitschr , 14, 429 (1913).
2. W. de Sitter, Über die Genauigkeit, Innerhalb welcher die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Quelle behauptet werden kann Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine Physik. Zeitschr , 14, 1267 (1913).
3. de Sitter, Willem (1913), "Una prueba de la constancia de la velocidad de la luz"  , Actas de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos , 15 (2): 1297–1298, Bibcode :1913KNAB...15.1297D
4. de Sitter, Willem (1913), "Sobre la constancia de la velocidad de la luz"  , Actas de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos , 16 (1): 395–396
5. Comstock, Daniel Frost (1910), "Un tipo de relatividad descuidado"  , Physical Review , 30 (2): 267, Bibcode :1910PhRvI..30..262., doi :10.1103/PhysRevSeriesI.30.262
6. Brecher, K. (1977). "¿Es la velocidad de la luz independiente de la velocidad de la fuente?". Cartas de revisión física . 39 (17): 1051-1054. Código bibliográfico : 1977PhRvL..39.1051B. doi :10.1103/PhysRevLett.39.1051.
7. Bergmann, Peter (1976). Introducción a la Teoría de la Relatividad . Publicaciones de Dover, Inc. págs. 19-20. ISBN 0-486-63282-2. En algunos casos, si se observara el mismo componente del sistema estelar doble simultáneamente en diferentes lugares, estas "estrellas fantasmas" desaparecerían y reaparecerían en el curso de sus movimientos periódicos.
8. Fox, JG (1965), "Evidencia contra las teorías de las emisiones", American Journal of Physics , 33 (1): 1–17, Bibcode :1965AmJPh..33....1F, doi :10.1119/1.1971219.