一种能证伪“光速不变原理”的新实验方法及结果预测

第五卷总第7期格物VoL.5sumN0.72005年第1期MatterRegularityNo.12005-1-一种能证伪“光速不变原理”的新实验方法及结果预测邓王.建华著济南市花园路5号36楼4单元101室摘要：根据光学干涉理论和激光器工作原理，可以设计发明出一种新型激光干涉仪。用此新型激光干涉仪可以验证确定，光在空间各方向上具有不同的光速。新型激光干涉仪的工作过程是：在激光器部分反射镜的镀膜层上，有两个相同的微小辐射光孔，激光器共振腔只能从这两个微小辐射光孔处向外辐射激光束；用两个反射镜使激光器辐射出的两条单程激光束直接垂直相交，然后再用一个透反镜使两条激光束向光屏方向传播，并在光屏上产生干涉条纹。把新型干涉仪向空间各方向转动，就可以观察到干涉条纹的移动变化，其条纹移动数量的最大值N为N＝2dU／[λ（C2－U2）－1／2]当两条单程激光束的光程相等时，如果把这两条光束同时、同步地向空间各方向转动时，那么根据相对论“光速不变原理”可以确定：这两条光束在光屏上所形成的干涉条纹是不会发生移动的，或者说：这两条光束的光程差δ在地面各方向上始终是一个常数（或等于零）。对于笔者设计介绍的单程光干涉实验来讲，由于两条干涉光的光程都等于距离d，因此当观测者把干涉仪向空间各方向转动时，如果观测者在光屏上没有观测到干涉条纹的移动变化，那么相对论“光速不变原理”就是正确的。反之，如果观测者在光屏上观测到了干涉条纹的移动变化，并且干涉条纹移动数量的最大数值符合上式时，那么相对论“光速不变原理”就是错误的。关键词：光速、激光、干涉仪、激光器、相对论、宇宙真空、光速不变原理引言：牛顿力学认为：空间和时间是互不相干的两个事物。两者都具有绝对意义。客观事物的“绝对运动”就是相对于“绝对空间”的运动。经典理论认为：整个宇宙中充满着一种叫做“以太”的物质，这种被认为不动的“以太物质”就是“绝对空间”的化身。于是人们可以把“以太物质”当作绝对参考系，由它可以确定宇宙中一切物体运动的绝对状态。如果“以太理论”是正确的，那么在地面上用干涉仪做光的干涉实验，就能观测到地球相对于“以太物质”的运动速度。1887年，美国科学家迈克尔逊－莫雷做了这方面的实验，实验中干涉光的波长λ=5.9×10－7米，光程L=11米，如果把地球绕太阳公转的速度30公里／秒，当作地球相对于“以太”运动的速度，那么经典理论预测能观测到的干涉条纹移动量为0.37条。迈克尔逊－莫雷实验精度相当高，可观测到0.01个条纹的移动。然而，他们在转动干涉仪的过程中却始终没有观察到干涉条纹的移动。或者说，即使有干涉条纹的移动，其移动量也小于0.01条。这一实验结果被看作是“零结果”。以后人们又在各种不同的条件下重复了这个实验，而且精度越来越高，甚至还考虑了地球自转以及地球公转在不同轨道位置可能造成的影响等等，但得到的都是“零结果”。“以太理论”虽然被迈克尔逊－莫雷实验被否定了，但这并不表明“绝对空间”不存在。由于光子运动的速率与光源的运动状态无关，因此对于任何一个惯性系来讲，点光源在惯性系中都是用相等的“力”，向各方向投掷光子的。从这一点讲，可以用一条光束的“波前”在惯性系各方向上的光速是否相等，来确定此惯性系是否为绝对静止系。如果“光束波前”在某一惯性系各方向上的光速都相等，那么这个惯性系即为绝对静止系，而这个惯性系的空间即为“绝对空间”。于是人们可以根据物体与“光束波前”两者，在相同运动方向上所具有的相对速度大小，来确定宇宙中一切物体运动的绝对状态。1、新型激光干涉仪的工作原理及光路示意图。1.1、激光具有高度的相干性激光器是由工作物质、共振腔和激励能源组成。工作物质具有一定的能级结构，用来实现粒子数反转。在工作物质的两端安置有两面互相平行的反射镜，其中一面是全反射镜，另一面是部分反射镜，这两个反射镜，以及它们之间的空间称为光学共振腔。光学共振腔的作用有三个，其一是产生和维持光振荡，其二是确定激光方向，其三是选频。相干光的条件是：频率相同，相位差恒定，振动方向相同。而激光的频率、相位、振动方向都是相同的。根据激光理论，当原子处于高能态的能级E2时，此时如果被一个能量为hv的光子入射，那么此原子第五卷总第7期格物VoL.5sumN0.72005年第1期MatterRegularityNo.12005-2-受外来光子的感应（刺激），就会由高能级E2跃迁到低能级E1，并释放出一个能量同样为hv的光子，从而使射出光波要比入射光波能量增大一倍。这两个光子再各自感应一个光子，成为4个光子，然后再各自感应为8个具有相同频率、相同方向、相同共振态、相同相位和速率的光子。光子的这种链式增多反应过程，即为光受激辐射的放大过程。当光子链式增多反应过程保持在某一稳定状态时，那么光源就能连续辐射出所有特征完全相同的光子，这种光就称为激光。与普通光相比，激光是质量非常高的相干光。激光的时间相干性和空间相干性都很好。从激光器部分反射镜辐射出的光束是步调一致的光束，由于激光束在其波场空间中每一点都有确定的传播方向，在其波前上各点间有稳定的相位关系，因此激光具有很好的相干性。激光的这一特性已经被人们用来生产制造精度非常高的激光干涉仪。1.2、新型激光干涉仪的结构及光路。新型激光干涉仪的结构及光路设计，如下面图（1）所示。新型激光干涉仪的结构及光路示意图（1）图（1）中的FA、FB两黑点是部分反射镜上的两个微小辐射光孔，A、B两黑点是两个微小反射镜，S是光学镜片，Q是光程补偿镜，O′是透反射镜，而点O′则是光束AO′、BO′两者的垂直交点，其中线段AO′＝BO′＝d，并且光束AO′穿过透反射镜O′后，经过O′点到达观测光屏P，而光束BO′在O′点处被反射后，再到达观测光屏P。此外，图（1）中的G为旋转平台，R为竖向转动装置，T是水平转动平台，M是底基座。1.3、新型激光干涉仪的加工制作步骤。根据图（1）所示，下面按步骤说明一下新型激光干涉仪的具体实施方式：1）、首先在激光器部分反射镜E的镀膜反射薄层上，制作加工出两个相同的微小辐射光孔FA和FB，激光器只能从这两个辐射光孔向外辐射激光。2）、在靠近辐射光孔FA处，安置一个反射镜A，在靠近辐射光孔FB处，安置一个反射镜B，使从共振腔C辐射出的激光束FAA、FBB两者分别被反射镜A和B反射后，能在点O′处垂直相交。3）、在点O′处安置一个透反射镜O′，它能使激光束AO′被透射，使激光束BO′被反射，从而使光束AO′与BO′两者在点O′垂直相交后能向同一个方向传播，即向观测光屏P方向传播。4）、在线段AO′延长线外，安置一个观测光屏P，用来观测光束AO′、BO′两者合成后所产生的干涉条纹。5）、在光束BO′的光程中安置一个光程补偿镜Q。6）、把激光器共振腔C、部分反射镜E、反射镜A、反射镜B、透反射镜O′、光程补偿镜Q、光屏P这七者，用支撑架U固定连接在旋转平台G上，使它们在旋转平台G上能同时、同步地作3600角旋转。UFADCAEｄSFBO＇QBUPTMGRR第五卷总第7期格物VoL.5sumN0.72005年第1期MatterRegularityNo.12005-3-7）、把旋转平台G与竖向转动装置R连结，使旋转平台G通过竖向转动装置R能作竖向转动。8）、把竖向转动装置R固定在水平转动平台T上，把水平转动平台T安置在干涉仪底基座M上，使水平转动平台T在干涉仪底基座M上能作3600角转动。1.4、新型激光干涉仪的光路坐标示意图。假设图（1）中光束AO′与BO′的交点O′是S′系的原点，并且原点O′到反射镜A点的线段始终是Y′轴，而反射镜B点则始终位于X′轴与Z′轴两者所确定的平面内。其中线段BO′在O′X′Z′平面内能绕Y′轴旋转3600，而Y′、Z′两坐标轴所确定的平面能绕X′轴旋转3600。A、B两点与原点O′三者在S′系（地面系）中的关系，如图（2）所示。由于光束AO′、BO′两者是同时从激光器共振腔C中辐射出的相干光，因此两者在O′P线段上的频率相同；相位差恒定；振动方向相同。当光程AO′和BO′两者的长度不完全相等，其光程差δ＝AO′－BO′的数值非常微小时，那么光束AO′、BO′两者在光屏P上就会形成干涉条纹，其条纹的性质属于薄膜干涉条纹。于是，光程差δ愈小则外边缘处的干涉条纹愈疏，反之，光程差δ愈大，则外边缘处的干涉条纹就愈密。2、对实验结果的分析与预测。2.1、本节分析讨论光子坐标变换问题时，所使用的坐标变换式不是洛仑磁变换式。由于新实验的结果将证明相对论的光速不变原理是错误的，而洛仑磁变换式是以光速不变原理为基础建立起来的，从这一点讲，根据洛仑磁变换式计算出的结果不符合新实验的结果。为了从理论上准确地分析预测新实验的结果，笔者在第3节中根据经典理论和迈克尔逊－莫雷实验结果，分析推证出了只适用于光子运动坐标的变换式，即X＝221CU(X′＋UT′)，Y＝Y′，Z＝Z′T＝T′221CU（2－1）上式中的速度U是地面系在宇宙真空系中的运动速度，式中的C是光子在宇宙真空中的光速C，不是光子在其它自由真空中的光速。应当指出的是：宇宙真空只有一个，而其它的自由真空可以有无数个。从真空惯性系是否运动的角度讲，宇宙真空系是绝对静止的，而其它自由真空系则是运动的。例如，地面上一个静止的真空体就属于在宇宙真空中运动的自由真空系。此外，（2－1）式中的S系是宇宙真空系，而S′系是地面系，式中的X、T两者分别是光子在宇宙真空系中的运动距离和运动时间，而X′、T′两者分别是光子在地面系中的运动距离和运动时间。2.2、当光程BO′始终与地球运动方向垂直时，光束AO′、BO′两者“波前”的光程差δ＝0。假设S系与S′系两者坐标轴的方向相同，其中S′系（地面系）在S系（宇宙真空系）中始终以速率U沿正X轴方向运动。如果把反射镜B置于Z′轴上，那么因反射镜A在Y′轴上的位置始终不变，所以反射镜A、B和原点O′三者所确定的平面ABO′则始终与地球运动方向垂直。如下面图（3）所示。对于光束AO′、BO′两者波前被反射镜A、B反射的一瞬间来讲，假设原点O与原点O′两者是重合的。此时光束AO′波前到原点O、O′两点的坐标A0O＝AO′＝d，而光束BO′波前到原点O、O′两点的坐标BZ0O＝BO′＝d。如下面图（3）所示。Y′FAZ′AFBｄBｄO′X′P光屏新型激光干涉仪的坐标示意图（2）Y、Y′A0AZ、Z′BdBZ0dUO、O′X、X′P两激光束被反射一瞬间的坐标示意图（3）YY′A0ZABZ0Z′ddBddOUO′PX、X′两激光束在原点O′相交一瞬间的示意图（4）第五卷总第7期格物VoL.5sumN0.72005年第1期MatterRegularityNo.12005-4-由于S系是静止的宇宙真空系，而S′系在S系中以速度U运动，当光束AO′、BO′两者的波前在原点O′相交时，S系与S′两者的坐标轴是分开的。如上面图（4）所示。对于光束AO′、BO′两者波前在原点O′相交的一瞬间来讲，如果自S′系（地面系）观测，那么根据图（3）可知，光束AO′、BO′两者波前在S′系中，从A、B两个反射点运动到原点O′的光程相等，即AO′＝BO′＝d。此外，无论是自S′系观测，还是自S系观测，由于A、B、O′三点所在平面ABO′与地球运动方向垂直，因此根据图（4）可知，光束AO′波前在宇宙真空中的光程A0O′，始终等于光束BO′波前在宇宙真空中的光程BZ0O′即：A0O′＝BZ0O′＝22UCdC（2－2）由于S′系在S系中始终沿正X轴方向运动，而A、B、O′三点所在的平面ABO′始终垂直于地球运动方向，因此光束AO′、BO′两者波前在宇宙真空中的光程差δ始终等于零，即δ＝A0O′－BZ0O′＝0。由此可以确定：当反射镜A、B两者在垂直于地球运动方向的平面ABO′内旋转时，光束AO′与BO′两者在光屏P上所形成的干涉条纹，不会随着反射镜A、B两者绕X′轴旋转而发生任何移动。由于光束AO′、BO′两者波前在宇宙真空中的运动光程始终相等，因此光束AO′波前的运动时间TA等于光束AO′波前的运动时间TB，