|
基于移钟策略的单向光速实验方案 710075 西安市高新一路18号 黄德民
摘要：本文针对单向光速实验受制于"异地校钟"难题的困难局面，提出了基于移钟策略的解决办法和相应的单向光速实验方案，有望对单向光速是否可变做出实质检验。 主题词：单向光速 异地校钟 移钟策略 实验方案 相对论
检验光速是否可变是理论物理研究的一项重要课题，是对相对论理论基础的直接检验。单向光速是否可变，一直没有得到实验的真正检验。原因在于长期以来人们一直认为单向光速实验离不开校钟，难于克服"异地校钟"难题。本文将针对这一问题展开讨论，提出相应的解决办法及新的光速实验方案，以期对单向光速是否可变做出实验检验。 一、单向光速实验面临的困难 "光速不变"是狭义相对论的基本假设，围绕它的检验，一直没有停止过，长期以来，人们做了大量实验，但到目前为止，"各种检验光速不变性的实验都只证明了回路光速的不变性，并没有证明单向光速的不变性"[1]。原因在于人们认为单向光速实验离不开校钟，而校钟往往又要用到光信号，这样就出现了难于克服的困难。张元仲先生在《狭义相对论实验基础》一书中写道："问题是，在不知道光信号的单向速度时，也无法用它进行校准钟，而要想了解光信号的单向速度，又需要用两只事先校准的、位于不同地点的时钟来测量。我们看到，钟的校准（同步）与校钟信号的单向速度是互为前提的" 。"在上述意义上说，如果找不到更为理想的校钟手段，单向光速就是个不可观测量"。这就是单向光速实验的"异地校钟"难题。它严重影响和制约着单向光速实验的发展。 仔细分析这个"难题"，不难发现，之所以出现逻辑循环，原因在于实验所用的校钟信号和待测信号都是光信号。如果不用光信号校钟，就不会出现逻辑循环，上述困难就不存在。所谓的单向光速实验受制于"异地校钟"难题的困难局面，是一种自我思想禁锢的结果。 笔者专门设计过一些检验单向光速是否可变的实验方案，并未受到"异地校钟"难题的制约。如"光斑漂移实验方案"，完全不用对钟，有望对单向光速是否各向同性做出检验；又如"光线漂移时间差法实验方案"[2]，虽然也要对钟，但对钟光信号和待测光信号不在同一方向（近似垂直），也有效地化解了"异地校钟"难题。再如"基于电光信号对比法的单向光速实验方案"，不但不用对钟，还有望对电信号与光信号速度是否存在差异做出检验。此次，我们将专门讨论一种更加普适的方法，使单向光速实验完全避开"异地校钟"难题。 二、移钟策略 大家知道，日常生活中一般不采用光信号法校钟，而是采用"移动校钟法"，即让两只钟先在一起对准，然后把其中的一只钟移到所需的位置。但是"移动"对于钟的速率有何影响，我们是不知道的，按照相对论的"动钟变慢"的观点，这种影响肯定是存在的，所以在高精度实验（如光速实验）中，一般不采用移动校钟法校钟。但是，这并不意味着移动校钟法在光速实验中完全不可用。事实上，只要采取适当的移钟策略，不但可用，还能取得意想不到的效果，破解用光信号校钟法带来的"异地校钟"难题。 设有甲、乙两只结构相同的钟，开始时它们都静止在A点，并相互对准。然后将乙钟缓慢地移过一段距离到达B点并再次静止下来，由于"移动"效应，此时A、B两处的时钟将不再同步，设乙钟比甲钟慢了ΔT。现在考虑相反的情况，设开始时两只钟都静止在B点，并相互对准。然后用完全相同的移钟方法（包括路径、距离、速度、加速度等）将乙钟移到A点并再次静止下来。由于"移动"，A、B两处的时钟也不再同步。那么，此时乙钟比甲钟慢了多少呢？我们已知，上述两次移钟各种条件都一样，唯一的区别是移动方向不同，一个是从A移向B，一个是从B移向A。大家知道，空间具有各向同性的性质，并不会因为移钟方向不同导致移钟结果不一样。因此，可以肯定，第二次移钟结果仍然是乙钟比甲钟慢了ΔT。即两次移钟导致不同步量是一致的！如果将这种移钟方案应用到单向光速实验中，这种相同的不同步量会在计算时被消去，不会影响到对实验结果的判定。这就是这种移钟方案带来的好处，我们将这种移钟方法称为"二次移钟策略"。 现在来讨论第二种移钟方法。设相距一定距离的A、B两处分别有甲、乙两只结构相同的时钟，事先并未同步，乙钟比甲钟慢了ΔT。然后，以完全对称的方法将两钟对调，即将甲钟缓慢地移到B处，同时，用完全相同的方法将乙钟移到A处。正如上面所说的，由于两次移钟各种条件都相同，只是移动方向不同，因空间具有各向同性的性质，不会影响到移钟结果。两次移钟对两钟带来的影响是相同的，即交叉移动后，两钟的快慢情况与以前的情况完全相同，仍是乙钟比甲钟慢了ΔT。这样，就同"二次移钟法"一样，也可为光速实验带来好处，我们将这种移钟策略称为"交叉移钟策略"。 另外一种可以考虑的移钟策略是"中点移钟策略"，即在AB两点的中点处将两钟对准，然后对称地将两钟分别移动到A、B两点。由于移钟方法相同及空间的各向同性，原则上这两钟仍是同步的，也可用于单向光速实验。只不过这种对钟法实际操作起来相对困难些，这里不再做详细介绍。 三、基于移钟策略的单向光速实验方案 尽管目前主流理论坚持光速不变的观点，但包括笔者在内的许多人对光速不变的观点持怀疑态度，认为是某种物质作用造成了光速不变的假象[3]。并且分析指出，由于地球的自转，地面上的观察者应该能够观察到自西向东的光速小，而自东向西的光速大。 但是，即使这种差异存在，检测也非常困难。迈克尔逊-莫雷实验干涉仪达不到这种精度要求，直接进行单向光速实验，又涉及到"异地校钟"难题。所以过去没有人去实施。本文根据前面提出的移钟策略，设计了"基于移钟策略的单向光速实验方案"，可有效避开"异地校钟"难题。 具体实验方案示意图如图-1所示：
图中的实验装置沿东西方向布置。实验时，首先在A点处让甲、乙两钟同步后，将乙钟按预先确立的移钟方案缓慢地移至B处，由西（A）向东（B）发出一个光信号（如图-1上部分），记录相应的发射时刻T发A，在B处用检测仪检测并记录光信号到达的时刻T收B；然后，将整个发射和接收反向。即在B点处让甲、乙两钟同步后，将乙钟按与先前同样的移钟方法缓慢地移到A处（只是移钟方向相反，其它方式完全一样），由东（B）向西（A）发出一个光信号（如图-1下部分），记录发射时刻T发B，在A处用检测仪检测并记录光信号到达的时刻值T收A。很明显，这一过程中采用了前面所说的"二次移钟策略"。 设光线从A到B所用的时间为tAB，从B到A所用的时间为tBA，由于采用"二次移钟法"，两次移钟均为乙钟比甲钟慢ΔT。各时刻值满足如下关系式： T收B=T发A +tAB －ΔT （1） T收A=T发B + tBA－ΔT （2） （1）式减（2）式有： tAB －tBA= T收B－T发A + T收A－T发B （3） 很明显，上式中不再包含两钟的不同步量ΔT，这就是"二次移钟策略"带来的好处。左边剩下的全为实验中可以测到的时刻值。 若实测值经计算后出现T收B－T发A + T收A－T发B≈0 则tAB －tBA≈0 说明光线从西向东与从东向西所用的时间相同，即证明了在这两种方向下，光速值相等。 若T收B－T发A + T收A－T发B≠0 则tAB －tBA≠0 说明光线从西向东与从东向西所用的时间不同，即证明在这两种方向下，光速值不相等。从而构成对光速各向同性观点的否定。 上述实验方案若采取"交叉移钟策略"或"中点移钟策略"，也能取得类似效果，这里不再展开。 四、对实验结果分析、预测与说明 按照相对论的观点，光速各向同性，上述实验应出现"零结果"，但笔者倾向于认为地面光速与地球的自转速度相关，因而预测应出现相应的时间差。现在来具体分析、测算一下可能效应。 设光线由东向西传播时相对于地面的速度为C+fV，自西向东传播时相对于地面的速度为C－fV。其中，C为通常意义下的光速，V为实验地点对应的自转速度，f为相关系数（0≦f≦1）。 设光路长为L，则： t光AB=L/（C－fV） t光BA=L/（C+fV） t光AB－t光BA ≈2fLV/C2 （4） 若取L=3000米，V=300米/秒，C≈3╳108米/秒，f =0.5，则 t光AB－t光BA ≈1╳10-11秒 即两次测量所得的TAB与TBA之差约为10-11秒。 现代计量测试技术已达到飞秒（10-15）级，10-11秒的精度应该能够用测量出。如果实验检测到这种时间差的存在，意味着光线沿东西方向和沿西东方向传播其速度是不同的，即证实了单向光速可变，否定了光速不变假设！ 需要说明的是，该实验即可在空气中进行，也可使用空芯光纤进行，同时建议尽量在离地面稍高一些的位置进行。 五、结束语 从上面的分析可知，该实验方案完全克服了"异地校钟"难题，有望对地面单向光速是否各向同性做出检验。希望有条件者予以实施，如果实验出现预期的结果，将是对光速不变假设和相对论的重大挑战。
参考文献： [1] 张元仲著 . 狭义相对论实验基础理论 . 科学出版社，1979 [2] 黄德民 . 检验光速是否可变的实验方案 . 发明与创新，2005年第5期 [3] 黄德民著 . 论物理现象的本质--物质作用论挑战相对论 . 陕西科学技术出版社，2001 |
